Upload
katoka
View
56
Download
8
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Vývoj NS je formován procesy determinace, diferenciace a indukce. Determinace - dána procesem genové exprese Míra determinace různá u různých živočichů Vývoj determinovaný (všichni bezobratlí) Nederminovaný (chordata vč. obratlovců). Determinovaný vývoj. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Vývoj NS je formován procesy determinace, diferenciace a indukce
• Determinace - dána procesem genové exprese
• Míra determinace různá u různých živočichů
• Vývoj determinovaný (všichni bezobratlí)
• Nederminovaný (chordata vč. obratlovců)
Determinovaný vývoj
• Už ve fázi zygoty jsou jednotlivé bb embrya předurčeny ve svém vývoji
• Osud buněk je určován genetickými faktory
• Malá míra flexibility
Vývoj nedeterminovaný
• Předurčenost buňky k určitému vývoji (daná genomem) je významná, ale
• Vývoj je ovlivňován vnějšími faktory– (chemický gradient, chemické látky
uvolňované sousedními bb, specifickými naváděcími bb, růstovými faktory, elektrickým gradientem embrya atd.)
• Osud buňky
• je výsledkem indukce a ne automatickým spuštěním genetického programu,
• odstranění jedné nebo více bb nemá fatální vliv na osud embrya
• NS se vyvíjí z ektodermu• Indukcí mezodermem• Začíná vytvořením
– Spermanova organizátoru – amphibia
– Hensenovy zóny – ptáci, savci
– Produkce růstových faktorů (difusibilní proteiny)
– indukují neurální diferenciaci a tvorbu
• nervové rýhy a nervové ploténky, neurální trubice
Neurulace
• Buňky z okrajů neurální rýhy se oddělují a tvoří neurální lištu
• Buňky z rýhy migrují na periferii – periferní orgány – dorzální ganglia a– ganglia autonomních nervů
• Ventrálně vzniká chorda
• Anteriorně – diferenciace – základy mozku
Produkce neuronů a glií
• Zpočátku je N trubice jednovrstevná, později vícevrstevná
• Dělení probíhá v germinální zóně (vnitřní strana)• Během bb dělení jádra složitě migrují
– DNA syntéza probíhá na vnějším okraji,– Dělení na vnitřním
• Během migrace jsou jádra ovlivňována různými cytoplasmatickými faktory
• Po několika cyklech dceřinné buňky nejsou schopny dalšího dělení a opouštějí germinální zónu
Migrace
• Dceřinné bb migrují
• Neurony se dále nedělí – bb postmitotické
• Glie se mohou dělit
• N trubice se stává 3 vrstevnou– Ventrikulární zóna – proliferační– Šedá hmota – vrstva neuronální prekursorů a
migrujících neuronů– Bílá hmota – vrstva neuronálních výběžků
Centrální kanál
Vnější strana Migrující prekurzoryamitotické neurony
a glie
ventrikulární střední okrajová zóna
Neuroektoderm
Produkce neuronálních a gliových prekurzorů
S
M
Centrálníkanál
Pleny
Ventrikulární
StředníŠedá hmota
MarginálníBílá hmota
Migrující neurony
Mícha
Migrace neuronů v CNS
Migrace v mozkové části
• 3 vrstevná stra přetrvává v oblasti míchy a prodloužené míchy
• V mozkové a mozečkové části neurony migrují periferně a tvoří kortikální ploténky
• Neurony migrují podél radiálních gliových buněk
Komora
Migrující neuronyRadiální gliové buňky
VZ
Budoucí bíláhmota
Korová ploténka
Purkyň. bb
Granul.bb MZ
Mozeček
Migrace neuronů v CNS
Mozek
Migrující neurony
Komora
VZ MZ
Bílá hmota
Korová ploténkaStřední vrstva
Migrace neuronů v CNS
Radiální gliové buňky
• Udržují kontakt s vnitřní a vnější stranou NT po celou dobu vývoje
• Na migraci neuronů se podílí neznámé transportní bílkoviny
• Po ukončení migrace neuronů zanikají
Migrace buněk neurální lišty
• Bez pomoci glivých buněk• Migrace řízena atraktivními a
repulsivními interakcemi – s buněčnými povrchy a – komponentami extracelulárního prostoru
(adhesivní faktory)
• V průběhu migrace se neurony dostávají do různých oblastí - indukce
Epidermis
Neurální trubice
Dermatomy
Sklerotomy
Chorda
F-spondinAnteriorní sklerotomLaminin, fibronektin
PosteriorníSklerotom
Anteriorně
Posteriorně
Migrace buněk neurální lištyDR, autonomní ganglia, Schwann.bb,
adrenergní chromafinní bb.
Ektoderm
Somit
Chorda
Aorta
Střevo
Tělní dutinaNadledvinky
Sympatickáganglia
Smyslová ganglia
Naurální trubice
Neurální lišta
Neurony se po migraci dále nedělí
• Výjimky tvoří –
• Interneurony bazálních ganglií
• Granulární bb mozkové kůry
• Primární aferentní neurony – čichové
• Postgangliové neurony autonomního Ns
• Bb nadledvinek, které tvoří A a NA
Mechanismus indukce – vyjádření genotypu
• U dospělého jedince jsou různé oblasti NS fenotypově odlišné
• Fenotyp je determinován selektivní expresí genů
• Během vývoje dochází různými mechanismy indukce k
• Hierarchicky regulované expresi transkripčních faktorů
Enterickáparasympatickáganglie Sympatická
Ganglia aadrenergnídřeň
ForebrainMidbrain
Hindbrain
Některé geny kontrolují rozhodnutí o tvorbě tělních částí - rhombomer
• V každém segmentu se neuronální bb diferencují ve stejném rytmu
• Proces diferenciace je specificky modifikován
• Hox geny – determinují osud neuronů v každém segmentu
• Vybírají k expresi ty geny, které jsou třeba v daném segmentu
Geny aktivované během ranného vývoje NS
• Hox geny - osud segmentů• Transkripční faktory (Kreisler, Krox-20)• Receptor tyrosin kináza (Sek-1, Sek-
4,transmembránový protein, ligand = Elf-2)
Hox – homeotické geny
• Nalezeny u Drosophily (mutace - tykadlo místo nohy)
• Geny zodpovědné za vznik určité struktury• Kontrolují podřízené geny a transkripční faktory• Exprese hox genů řízena kyselinou retinovou ze
Spermanova organizátoru• Systematicky organizovaná citlivost receptorů
Křepelčí embryo Kuřecí embryo
Anterio-posteriorní gradient
Kyselina retinová
Hox geny – homeotické regulační geny – kyselina retinová (reaguje s receptory v jádrech cílových buněk)Hierarchicky regulovaná exprese transkripčních faktorů
NS obratlovců také diferencován ve směru dorso-ventrálním
• Indukční signály produkované chordou – Produkt „sonic headgehog“ genu – difusibilní protein– kontroluje hox geny
• Později proužkem specializovaných gliových buněk bazální ploténky na ventrální straně míchy
Anterior Posterior Dorzálně
VentrálněChorda
Dorzo-ventrální gradient
Difuzibilní proteinProdukovanýHeadgehog genem
Bazální ploténka
Anterioposteriorní a dorsomediální gradienty kontrolují transkripční faktoy a determinují regionální
identitu CNS
Buněčné linie – vztah mezi narozením neuronů a jejich osudem
• U obratlovců je obtížné sledovat buněčné linie• Techniky vnesení markeru (fluorescenčně
označený virus) do prekurzorové bb a sledování výskytu v hotovém NS
• Vnesení markeru – do retiny nově narozené krysy – označené byly neurony
i glie
– Do kůry – klony s virem byly jenom buď v gliích nebo neuronech – diferenciace probíhá dříve
Retina
Epitel
Čočka
4-6 týdnů
Injekce retroviru kódující galaktosidázudo prekurzorové buňky
Buněčné linie v savčím CNS
Existuje závislost mezi vznikem neuronů a jejich uspořádáním v kůře
• Injekce radioaktivního thymidinu do dělících se buněk kůry
• Nejhlouběji jsou ty, co se dřív narodily
Počet buněk v jednotlivých vrstvách kůry po injekci 3H tymidinu
0 60 0 60
0 60 0 60 0 60 0 60
1
2+3
4
5
6
Bílá hmota
E30 E33 E39 E42 E48 E56
Zapojení neuronů v jednotlivých vrstvách kůry je ovlivňováno
lokálními faktory
• Transplantace neuronů vyvíjející se zrakové kůry do oblasti somatosensorické vedla k indukci neuronálních fenotypů typických pro somatosensorickou kůru i s propojením neuronů
Korová ploténka
Vnitřní zóna
Ventrikulárnízóna
VZ
Bílá hmota
1
2
3
4
5
6
Laminární determinace v kůře
E29
Laminární determinace v kůře
Korová ploténka
Vnitřní zóna
Ventrikulárnízóna
VZ
Bílá hmota
1
2
3
4
5
6
P1
V dospělém NS může být vývoj pod humorální kontrolou
• Pěvci – kanáři• Samci „high vocal center nucleus“• Zde probíhá turnover neuronů v závislosti
na hladině testosteronu– Zvýšení hladiny 2x ročně, jaro, podzim– Po poklesu kontrolovaný zánik neuronů
• Samice toto centrum nemají, ale po injekci testosteronu je indukováno
Hormonální regulace vývoje NS
Nadřazené vokální centrum
„Robust“jádro varchistiatu
Hlasivky
Nové neurony v dospělém mozku-asimilace do složité architektury - substrát pro remodelování chování
Kmenové buňky
• High vocal centrum ptáků• Hipokampus• Čichový lalok savců
– z kmenových buněk vnitřní vrstvy laterálních komor – rychle se dělí a dceřinné bb migrují do čichového epitelu a zabudovávají se do stávajících neuronálních okruhů
• Možnost diferenciace do – Neuronů– Oligodendrocytů– Astrocytů
Kontrola fenotypu v periferním NS
• Kuřecí a křepelčí zárodky
• Pozice v neurální liště předurčuje typ periferního NS a typ vznikajícího zapojení
• I na expresi genů periferního NS mají vliv regionální faktory
Křepelčí embryo Kuřecí embryo
Fenotyp v periferním NS
Křepelčí embryo Kuřecí embryo
Výběr mediátoru cílovou tkání
• Některé buňky během vývoje syntetizují jiný mediátor než v dospělém zapojení
• Změna metabolismu je indukována látkami cílové tkáně– Potní žlázy, sympatické neurony,
norepinephrine – Ach
Hladká svalovina žlaz indukuje
• Cholinergní diferenciaci sympatických neuronů
• LIF (leukemia inhibitory faktor)
• Ciliary neurotrophic factor
• Cardiotropin – 1
• Aktivace Ach syntézy v sympatických neuronech
Růst neuronálních výběžků
• Na růstovém vrcholu
• Amoeboidní pohyb – lamelipodia a filopodia– Přichycují se k substrátu a orientují růstový
vrchol– Obsahují vlákna aktinu– Filopodia „chutnají“ prostředí a odpovídají na
chemické stimuly• Short range stimuly na stěnách sousedních bb
• Long-range stimuly – v ect – přitahují či odpuzují
Růst axonů
Aktinová vlákna přichycená k podkladu
Mikrotubulus
Mikrotubulus
Aktinová filamenta
Aktinová filamentaMyosin
Myosin posouvá mikrotubuly
Filopodia v klidu
Vysouvání filopodií
Aktinovémonomery
Aktinovápolymerizace
Myosin zasouvá mikrotubuly
Myosin
ATP, Actin-binding-proteinCa, proteinkináza
Naváděcí signály – extracelulární adhesní proteiny
• Short range• Na membrány vázané adhesní molekuly
– Imunoglobulinové molekuly
– Např. populární glykoprotein axonálního povrchu TAG1 (Transiently expressed Axonal surface Glykoprotein)
• Pomáhá řízenému prorůstání neuronů v míše a způsobuje u jistých axonů změnu směru růstu
– Některé působí prostřednictvím specifických receptorů, jiné spojují podobné struktury na sousedních bb
Adheze často závisí na Ca++
• Např. N cadherin – spojení buněk v ect tekutině, plasmě, krvi
• V tkáňových kulturách stimulují adhezi neuronů k podkladu, navzájem a stimulují růst výběžků
• A adhezi výběžků do primitivních nervů
Adhezní extracelulární glykoproteiny
• Laminin, fibronektin, tenascin, trombospondin
• Spolupracují s imunoglobuliny• Specifické kombinace zajistí, že ve
vyvíjejícím se embryu určitá skupina vysílá výběžky do patřičné oblasti
• Adhezivní interakce působí na malou vzdálenost – 1 mm
Adhezivní molekuly
• Buněčné membrány– Transmembránové proteiny nebo asociované
glykoproteiny, extracelulární část podobná imunoglobulinům
– N-CAM (neural cell adhesion molecule)– CAM (Ng-CAM, glial cell adhesion molecule)– TAG-1, MAG, DCC
• Homofilické vazby• Heterofilické
– N-CADHERIN (Ca-dependentní buněčná adheze)
Adhezivní molekuly
• Extracelulární matrix– LAMININ,
– FIBRONECTIN
– TENASCIN
– CYTOTAXIN
Hmyzí NS má své dispečery
• Fascikliny – vyvíjející se nervové pásce určují směr a dávají příkazy
• „shlukujte se“• „nerozcházejte se!• Pionýrské neurony na větší vzdálenosti• Některé smyslové neurony diferencují dřív• hledají dráhu do příslušných oblastí a slouží jako
orientační základna pro později narozené druhy
Navádění axonů na větší vzdálenosti
• Naváděcí buňky
• Označují přechodné cíle
• Většinou nezralé neurony
• Přechodné synaptické kontakty
• Po splnění úkolu zanikají
Růst axonů
Chemoorientace
• Axon se může orientovat v závislosti na cílové tkáni i nezávisle
• Axony spinálních motoneuronů se orientují na periferii prostřednictvím interakce různých faktorů
• Adhezní proteiny – krátké vzdálenosti• Delší vzdálenosti
– Netrin – chemický gradient (atrakce)– Semaforin – chemický gradient (repulse)– Příklad složitosti procesů navigace – navádění
komisurálních interneuronů v dorsální části míchy
Chemo-atraktivní interaceLong-range Close-range
Comisurálníneuron
Netrin-1TAG-1adhezivní molekula
Bazálníploténka NrCAM
Adhezivní molekula
ReceptorDCCExprimovV axonech
Jinde a v jiné souvislostiDCC funguje jako buněčná adhezivní molekula
Chemo-repulzní interakceShort-range Long-range
SlitDifuzibilní protein
ReceptorRobo
Netrin-1
Motoneuron
Slit
Periferie
Rozpoznávání cíle
• Aby NS fungoval jak má a produkoval příslušné chování, musí být spoje specifické
• Tvorba spojů je geneticky podmíněna a závisí na environmentálních faktorech
• Neurony se chovají jakoby věděly kam růst
• Jak poznají cíl?
• Zrakový systém obojživelníků a ptáků
• Gangliové bb retiny prorůstají do tekta
• Z temporální oblasti retiny do anteriorní• Tkáňové kultury
• Chemické naváděcí signály – EPHRINY
• EPH Receptory v tektu– V retině - naso-temporální gradient receptorů– V tektu - antero-posteriorní gradient ephrinů
Pravé oko
Levé tektum Specifická inervaceInterakce receptor tyrosin kináz (Eph kinázy)a ephrinů - mediují vždy repelenci
Ephriny exprimoványna cílových neuronech tektaEph kinázy exprimoványna axonech ganliových buněk
Retina Tektum
NazálníTemporální
Anteriorní(přední)
Posteriorní (zadní)
Gradient Eph receptorů Gradient Ephrinu
Axony gangliových buněk temporární sítnice
Posteriorní tektum
Posteriorní tektum
Eph-receptory Ephrin
Naváděcí signály a receptory
• Short-range (kontaktní)– TAG-1– Slit– N-CAM– ECM adhezní proteiny– Ephriny
• Long-range (difusibilní)– Netrin– Semaphorin– Slit
• NrCAM• Robo• N-CAM• Integriny• Eph receptory
• DCC• Neuropiliny
ARAAR
AR
Ca, proteinkinázy modulují
Synaptogeneze na nervosvalové ploténce
• Embryonální svalové vlákno má embryonální Ach receptory rovnoměrně na povrchu
• Při prorůstání axonu se uvolňuje spontánně Ach – depolarizační potenciál
• Po kontaktu se tvoří základ synapse • Zvyšuje se uvolňování Ach, synapse se dotvoří
během minut a • receptory se zahušťují pod synapsí• Objevuje se acetylcholinesteráza
Formování synapse nervosvalové spojení
Embryonické Ach
mRNA
Dospělé Ach
mRNA
Agrin motoneuronůHeparan sulfát ProteoglykanReceptory MUSK
Retrográdní signály - laminin
Formování synapsí v CNS
• V CNS na jednom neuronu konverguje mnoho synapsí s různými mediátory
• I v CNS dochází ke shlukování příslušných receptorů pod příslušnými synapsemi
• Synaptogeneze a na periferii je shodná
Formování synapsí v CNS
Principy synaptogeneze
• Neexistují předem daná místa pro tvorbu synapse
• Po kontaktu axon indukuje změny v postsynaptickém elementu
• Trofické změny působí anterográdně i retrográdně
• Významně působí elektrická aktivita• Inervace je źpočátku polyneurální, • Počet synapsí je následně upravován kompeticí
neuronů o trofické faktory cílové tkáně
Kompetitivní interakce během vývoje
Kompetitivní interakce během vývoje
• Po vzniku polyneurální inervace
• Některé spoje zanikají
• Dochází k reorganizaci
• Nadprodukce spojů a následná řízená smrt je charakteristická pro vývíjející se NS
Mechanismus, který zajišťuje, aby neuronální vstup
odpovídal
velikosti inervované cílové tkáně
zahrnuje aktivaci genu
pro řízený rozpad DNA
a syntézu proteolytických enzymů
Neuronální aktivita a eliminace synapsí
• V procesu eliminace spojů má významnou úlohu neuronální aktivita
• Stimulace vede k eliminaci neaktivních vláken
• Stimulované spoje tvoří více větvení než nestimulované
Přirozená smrt neuronů během ontogeneze
• Programovaná smrt
• Selekce programu vlivem mimobuněčných faktorů
• Součást přirozeného vývoje