Учреждение образования полесский государственный университет в. Т. Чещевик молекулярные основы
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
ТЕМА 12 МОЛЕКУЛЯРНО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ НЕЙРОГЕНЕЗА 1. Нейруляция. 2. Молекулярные механизмы спецификации нейроэктодермы. 3. Молекулярные механизмы дорсо-вентральной спецификации нервной трубки. 4. Молекулярные механизмы передне-задней спецификации нервной трубки. 5. Дифференцировка нейроэпителиальных клеток на нейральные и глиальные клетки. 1. Нейруляция При дифференцировке первичной эктодермы (эпибласт) образуются зародышевые части - кожная эктодерма, нейроэктодерма, плакоды, прехордальная пластинка, материал первичной полоски и внезародышевая эктодерма, являющаяся источником образования эпителиальной выстилки амниона. В течение 3-й недели эмбриогенеза незначительная часть дорсальной эктодермы приобретает специфические особенности необходимые для последующей дифференциации в нейроэктодерму. Данный участок эмбриона называется нервной пластинкой. Процесс дифференциации нервной пластинки на нервную трубку и ганглиозную пластинку называется нейруляцией. Над хордой сначала образуется утолщение в виде пластинки (нервная пластинка), а на 18-й день развития она начинает инвагинировать, образуя последовательно желобок и трубку. Нейруляция протекает в несколько этапов: 1) Трансформация центральной части эктодермы в утолщенную нервную пластинку. 2) Формирование и удлинение нервной пластинки. 3) Изгибание нервной пластинки вокруг медиального углубления с последующим увеличением боковых складок. 4) Замыкание нервной трубки. Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 63 Нейруляция протекает по времени неодинаково в различных частях эмбриона. Замыкание нервной трубки начинается в шейном отделе, а затем распространяется кзади и несколько замедленнее в краниальном направлении, где формируются мозговые пузыри. Примерно на 25 сутки нервная трубка полностью замыкается, с внешней средой сообщаются только два незамкнувшихся отверстия на переднем и заднем концах - передний и задний невропоры. Задний невропор соответствует нейрокишечному каналу. Через 5-6 сут оба невропора зарастают. Из нервной трубки образуются нейроциты и нейроглия головного и спинного мозга, сетчатки глаза и органа обоняния. При смыкании боковых стенок нервных валиков и образовании нервной трубки появляется группа нейроэктодермальных клеток, образующихся в области соединения нейральной и остальной (кожной) эктодермы. Эти клетки, сначала располагающиеся в виде продольных рядов по обе стороны между нервной трубкой и поверхностной эктодермой, образуют нервный гребень. Клетки нервного гребня способны к миграциям. В туловище одни клетки мигрируют в поверхностном слое дермы, другие - в вентральном направлении, образуя нейроциты и нейроглию парасимпатических и симпатических ганглиев, хромаффинную ткань и мозговое вещество надпочечников. Часть клеток остается в области нервного гребня, формируя ганглиозные пластинки, которые сегментируются и дают начало спинномозговым узлам. 2. Молекулярные механизмы спецификации нейроэктодермы Нейральная индукция – это первый этап спецификации нейроэктодермы, на котором предопределяется развитие нативной эктодермы по нейрональному пути. Нейральным индуктором развития нейроэктодермы является хорда, над которой находится участок эктодермы, дающий в дальнейшем нервную пластинку. В основе нейральной индукции лежит механизм подавления индукции эпидермального направления развития эктодермы. Это означает, что развитие нативной эктодермы исходно предопределено по нейрональному пути. В частности, у амфибий гены noggin, chordin, follistatin ингибируют экспрессию фактора BMP-4, что приводит к блокировке эпидермального пути развития. Механизм. В участках, где эктодерма не прилегает к хорде, происходит интенсивная экспрессия транскрипционного фактора BMP-4, который активирует гены, направляющие клетки эктодермы на эпидермальный путь Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 64 развития в результате подавления исходного нейронального пути развития. В то же время, в участке эктодермы, прилегающей к хорде, в результате выработки клетками хорды факторов noggin, chordin, follistatin происходит подавление активности транскрипционного фактора BMP-4, что способствует дальнейшему развитию клеток эктодермы по нейрональному пути. Вторым ключевым фактором, оказывающим влияние на путь развития эктодермы, является наблюдаемое на ранних этапах эмбриогенеза морфологические изменения, связанные с увеличением высоты клеток эктодермы над хордой (нервная пластинка). 3. Молекулярные механизмы дорсо-вентральной спецификации нервной трубки Ключевое значение в дорсо-вентральной спецификации нервной трубки имеет продукт гена Shh. Данный ген участвует в увеличении нейральных валиков, формировании нейрального желоба, нижней пластинки нервной трубки и спецификации клеток нервной трубки. Shh активно экспрессируется и секретируется клетками хорды в виде предшественника, который затем секретируется во внеклеточное пространство в комплексе с холестеролом. Во внеклеточном пространстве Shh взаимодействует с двумя трансмембранными белками: Patched (ptc) и Smoothened (smo), расположенным на поверхности клеток нервной пластинки, прилегающих к хорде. Ptc белок связывается с Shh, а smo взаимодействует с каскадом трансдукции сигнала внутрь клетки. Это приводит к спецификации вентральной пластинки нервной трубки, в клетках которой в свою очередь также начинает экспрессироваться ген Shh. В свою очередь, в клетках эктодермы, прилегающих к будущей дорсальной стороне нервной трубки, активно экспрессируется ген Wnt6 и BMP. Продукты данных генов индуцируют образование будущего нервного гребня и сохраняет экспрессию генов Pax-3, Pax-7 на будущей спинной стороне нервной трубки. Тогда как экспрессия данных генов подавлена на будущей вентральной стороне нервной трубки в результате экспрессии гена в клетках нервной трубки гена Shh. Также ген Shh поддерживает экспрессию гена Pax-6 на будущей вентральной стороне нервной трубки. Будущая дорсальная сторона нервной трубки является источником морфогенов, обуславливающих дорсализацию нервной трубки, а именно белков семейства TGFb (BMP, dorsalin, activin). Это, в свою очередь, приводит к регионализации экспрессии факторов транскрипции (Mash, Lim, Pax и др.) и сигнальных молекул (Delta, Notch, Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 65 Serrate), что определяет спецификацию нейральных клеток в дорсо- вентральном направлении. В частности, развитию на дорсальной стороне различных вставочных нейронов, а на вентральной стороне – двигательных нейронов. 4. Молекулярные механизмы передне-задней спецификации нервной трубки Справа эмбрион мыши на E7. При передне-задней спецификации эмбриональный узелок является первичным организующим центром (его аналогами являются узелок Гензена у птиц, дорсальная губа у амфибий). Эмбриональный узелок является источником градиентов фактора роста фибробластов (FGF) и ретиноидной кислоты (RA), которые предопределяют развитите структур, характерных для задней части нейронной оси. Узелок также является источником транскрипционных факторов (follistatin, noggin, chordin, Frzb, dickkopf), которые выполняют роль ингибиторов транскрипционных факторов BMP и Wnt. Кроме того, у млекопитающих передняя висцеральная эндодерма (экстраэмбриональная эндодерма, AVE) является источником индуктивного сигнала, ответственного за индукцию «мозга» (красные стрелки). AVE продуцирует два фактора: cerberus и dickkopf, которые противодействуют действию транскрипционных факторов Wnt и BMP. После того, как сформировалась нервная пластинка устанавливаются градиенты Wnt, FGF, RA, предопределяющие развитие задней части нервной трубки. Передняя висцеральная эндодерма, находящаяся под будущей передней большей частью нервной пластинки, начинает экспрессировать факторы Cerberus и Dickkopf, которые ингибируют факторы Wnt и BMP, тем самым предопределяя дальнейшее развитие структур, характерных для передней части нервно трубки. Позднее, передняя висцеральная эндодерма начинает продуцировать транскрипционный фактор Tlc, который также ингибирует действие Wnt и способствует развитию передней части нервной трубки. Данный фактор приводит в дальнейшем к преобразованию большей передней части нервной трубки в теленцефалон. В свою очередь, задний мозг подвергается делению на сегмент-подобные компартменты, называемые ромбомерами (на рисунке с 1 по 7). Также на раннем этапе важным морфологическим маркером является появление «перешейка». Перешеек представляет собой сужение, возникающее в месте соединения между средним и задним мозгом. Регион перешейка Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 66 выполняет роль организатора (пересадка в другой участок нервной трубки приводит к повторению элементов, характерных для среднего и заднего мозга). В области перешейка экспрессируются 2 гена En-1 и En-2. Продукт гена En-1 экспрессируется в переднюю часть, а En-2 в более заднюю часть нервной трубки из области перешейка, создавая соответствующие градиенты. Нокаут гена En-1 приводит к отсутствию среднего мозга. Нокаут гена En-2 приводит к отсутствию мозжечка. Индукция Engrailed генов обусловлен действием транскрипционного фактора FGF-4, который секретируется аксиальной мезодермой или эндодермой в зависимости от вида организма. FGF-4 индуцирует экспрессию в клетках перешейка двух ключевых морфогена Wnt-1 и FGF-8. Взаимодействие между градиентами белковых продуктов данных морфогенов очень сложные и они отвечают главным образом за формирование региона средний и задний мозг, определяя четкие границы экспрессии соответствующих генов. Важное значение имеют также транскрипционные факторы Otx2 и Gbx2. Otx2 ответственен за развитие переднего мозга, а Gbx2 ответственен за формирование заднего и спинного мозга. Otx2 ингибирует FGF-8, а Gbx2 ингибирует Wnt-1. Также Otx2 и Gbx2 взаимно ингибируют друг друга. Все это в совокупности позволяет поддерживать четкие границы экспрессии генов для передних и задних отделов мозга. 5. Дифференцировка нейроэпителиальных клеток на нейральные и глиальные клетки В ЦНС Notch играет основную роль в создании разнообразных типов клеток нервной ткани из клеток-предшествениц. Белок Notch участвует в образовании нервных стволовых клеток по механизму латерального ингибирования. Notch сигналинг приводит к репрессии нейронального пути развития эпидермобластов. В результате этого, клетки развиваются по эпидермальному пути. На молекулярном уровне это реализуется в результате репрессии в ядрах соответствующих клеток пронейрональных генов. Активация данных генов в клетках нейроэктодермы происходит только в результате отсутствия Notch сигналинга, что приводит в итоге к образованию нейробластов. Нейробласты представляют собой нервные стволовые клетки, которые ответственны за образование всей нервной системы, в частности, нейронов, клеток глии и сенсорных органов. На первоначальном этапе клетки нервной пластинки экспрессируют нейрогенин, Delta и Notch в пронейральном кластере клеток нейроэктодермы. Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 67 Через определенное время одна из клеток в кластере начинает продуцировать значительное количество белка Delta, что приводит к превращению данной клетки в нейрональную клетку предшественницу (нейробласт). При этом происходит активация рецептора Notch в прилегающих к ней соседствующих клеток. Notch действует как трансмембранный транскрипционный фактор. При связывании с лигандом Delta происходит отщепление внутриклеточного домена Notch с последующим его переносом в ядро клетки. В ядре, соединяясь с фактором Su-(H), Notch активирует соответствующие гены мишени. Это приводит в итоге к латеральному ингибированию нейронального пути развития прилегающих клеток. Обычно, деление нейробластов приводит к образованию таких же новых нейробластов, но в определенное время деление нейробластов приводит к образованию вторичных клеток-предшественниц, называемых ганглиозные материнские клетки. Гангиозные материнские клетки делятся далее только один раз, давая начало двум родственным клеткам, которые дифференцируются в нейроны и/или глиальные клетки, либо подвергаются апоптозу. В течение каждого деления нейробласт и ганглиозная материнская клетка делятся асимметричным способом, продуцируя потомство с двойной идентичностью (в случае нейробласта – это новый нейробласт и ганглиозная материнская клетка, в случае ганглиозной материнской клетки – это нейроны и/или глиоциты). Тип образующейся клетки определяется внешними факторами и внутренними механизмами. Внутренние механизмы связаны с появлением поляризованных клеток в процессе деления. Специфические мРНК и белки асимметрично распределяются в различные участки делящейся клетки. В результате этого, образующиеся внешне идентичные дочерние клетки содержат различные мРНК и белки. Полярность клеток определяется апикально расположенными белками Insc и рядом других белков, и базально расположенными белками Prospero и Numb. К внешним факторам относятся асимметричный размер дочерних клеток и Notch сигналинг. Активация Notch сигналинга зависит от накопления только в одной из двух дочерних клеток белка Numb. Белок Numb связывается с Notch белком и блокирует его активность. В результате асимметричного деления клетки и активации белка Notch только в одной из двух дочерних клеток дальнейшее развитие одной дочерней клетки предопределяется Notch сигналингом (Notch-зависимая клетка), а другая дочерняя клетка развивается по исходно предопределенному пути развития (Notch-независимая клетка). Notch сигналинг создает или способствует активации различных путей дифференциации в различных типах Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 68 постмитотических клеток в зависимости от времени возникновения дочерних клеток, что приводит к активации экспрессии различных транскрипционных факторов. Наиболее ранние клетки экспрессируют Hb (hunchback), промежуточные клетки экспрессируют pdm-1, и более поздние клетки экспрессируют castor (cas). Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 69 ТЕМА 13 МОЛЕКУЛЯРНО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ РАЗВИТИЯ НЕРВНОГО ГРЕБНЯ 1. Нервный гребень: образование, производные. 2. Молекулярные механизмы миграции клеток нервного гребня. 1. Нервный гребень: образование, производные Нервный гребень возникает в результате взаимодействия между поверхностной эктодермой и нервной пластинкой. Сигналом, индуцирующим образование нервного гребня, является белок гена Wnt-6, который продуцируется клетками поверхностной эктодермы по бокам нервной пластинки, а также белки генов семейства BMP, которые экспрессируются в клетках нервных валиков, и fgf8, который продуцируется подлежащей мезодермой. После установления границы нервной пластинки происходит активация генов спецификации нервного гребня (Zic фактор, Msx-1/2, Pax-3/7), которые опосредуют воздействие транскрипционных факторов Wnt, BMP, FGF и предшествуют экспрессии генов-маркеров нервного гребня. После этого происходит экспрессия генов, специфичных для нервного гребня (Slug/Snail, FoxD3, Sox-9,10, AP-2 and c-Myc). Помимо специфических генов-маркеров нервного гребня экспрессируются еще два фактора транскрипции Twist и Id. Twist, транскрипционный фактор bHLH, необходимый для мезенхимной дифференциации. Id является мишенью действия c-Myc и имеет важное значение для поддержания стволовых клеток нервного гребня. Кроме того, специфичные гены-маркеры нервного гребня запускают экспрессию эффекторных генов, которые придают клеткам определенные свойства, такие как миграция и мультипотентность. Два гена-эффектора нервного гребня, Rho GTPases и кадгерины участвуют в деламинации клеток, регулируя морфологию клеток и адгезивные свойства. Sox9 и Sox10 регулируют дифференцировку нейрального гребня, активируя многие эффекторные гены, специфичные для определенного типа клеток. Из клеток нервного гребня образуются мезодермальные клетки (гладкие мышечные клетки, остеобласты, остеокласты, адипоциты, хондроциты) и эктодермальные клетки (меланоциты, нейроны, шванновские клетки). К производным нервного гребня относятся: Мезэктодермального происхождения: одонтобласты, хондрокраниум, Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 70 трахеальный и гортанный хрящи, дерматокраниум (мембранные кости), спинные плавники и пластрон черепах, перициты и гладкие мышцы бронхиальных артерий и вен, сухожилия глазных и жевательных мышц, соединительная ткань желез головы и шеи (гипофизарной, слюнной, слезной, тимуса, щитовидной), дерма и жировая лица. Эндокринные клетки: хромаффинные клетки надпочечникового мозгового вещества, клетки I / II типа гломерулы. Периферическая нервная система: сенсорные нейроны и глии спинно- мозговых ганглиев, черепно-мозговые ганглии (VII и частично V, IX и X), клетки всех вегетативных и сенсорных ганглиев, шванновские клетки периферических нервов. Клетки кишечника: энтерохромафинные клетки. Меланоциты и ирисовые мышцы и пигментные клетки, и даже связанные с некоторыми опухолями (такими как нейроэктодермальная опухоль). 2. Молекулярные механизмы миграции клеток нервного гребня Миграция клеток нервного гребня связана с высоко скоординированным каскадом событий, который начинается со смыкания на дорсальной стороне нервной трубки. Процесс деламинации предшествует процессу миграции клеток нервного гребня. В головной части эмбриона деламинация клеток происходит до момента смыкания стенок нервной трубки, в туловищной части – после смыкания стенок нервной трубки. Клетки нервного гребня первоначально тесно связаны с соседними клетками за счет белков (окклюдин, N-CAM и N- Cadherin). Дорсально экспрессируемые BMP белки инициируют деламинацию, индуцируя экспрессию транскрипционных факторов, содержащих домен «цинковые пальцы» (slug, snail, twist). Эти факторы играют прямую роль в индуцировании эпителиально-мезенхимного перехода за счет снижения экспрессии окклюдина и N-кадгерина и вызывая модификацию NCAM остатками полисиаловой кислоты для снижения их адгезивных свойств. В частности, белок Slug активирует факторы, которые приводят к диссоциации крепких связей между клетками нервного гребня, что способствует изменению формы и свойств данных клеток, делая их подобными клеткам мезенхимы. Во время эпителиально-мезенхимной трансформации мигрирующие клетки нервного гребня прекращают экспрессию молекул клеточной адгезии (N- и E- кадгерина, N-CAM – молекулы адгезии нервных клеток), которая Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 71 восстанавливается лишь после повторного объединения данных клеток с целью образования спинальных и симпатических ганглиев. Клетки нервного гребня также начинают экспрессировать протеазы, способные разрушать кадгерины типа ADAM10 и секретируют металлопротеиназы матрикса (ММР), которые приводят к деградации вышележащей базальной пластинки нервной трубки с целью обеспечения возможности миграции клеток нервного гребня. Кроме того, клетки нервного гребня начинают экспрессировать интегрины, которые ассоциируются с белками внеклеточного матрикса, включая коллаген, фибронектин и ламинин, во время миграции. Как только базальная пластинка станет проницаемой, клетки нервного гребня могут начать мигрировать по всему эмбриону. Миграция. Миграция клеток нервного гребня происходит в рострально- каудальном направлении. По этой причине процесс миграции клеток гребня называется «свободной миграцией». Миграция клеток нервного гребня происходит на основе отталкивающего действия посредством EphB / EphrinB и семафорин / нейропилин сигналинга, взаимодействия с внеклеточным матриксом и контактного торможения друг с другом. Растущие клетки нервного гребня экспрессируют EphB, рецепторную тирозинкиназу, которая связывает трансмембранный лиганд EphrinB, который экспрессирован в наибольшей степени в каудальной половине каждого сомита. В результате взаимодействия лиганда и рецептора происходит фосфорилирование тирозина рецептора, активация rhoGTPases и перегруппировка цитоскелета в клетках гребня, вызывая их отталкивание. Это явление позволяет клеткам нервного гребня проходить через ростральную часть каждого сомита. Семафорин/нейропилин сигналинг действует синергически с EphB сигналингом, направляя клетки нервного гребня вниз по ростральной половине сомитов. Клетки нервного гребня экспрессируют β1 и α4 интегрины, что позволяет связываться и управлять взаимодействием клеток с коллагеном, ламинином и фибронектином внеклеточного матрикса при их движении. Кроме того, клетки нервного гребня имеют внутреннее контактное торможение при встрече друг с другом при проникновении в ткани различного происхождения, такие как, например, мезодерма. Дальнейшая дифференциация и спецификация клеток нервного гребня обусловлена пространственно-временным воздействием таких морфогенов как BMP, Wnt, FGF, Hox и Notch. Пути миграции клеток нервного гребня: Клетки, мигрирующие из головной (краниальной) части нервного гребня. Данные клетки образуют черепно-лицевую мезенхиму, которая Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 72 дифференцируется в хрящ и кость, черепные нейроны и глии и соединительные ткани лица. Другие клетки идут по пути, пересекающие глоточные структуры, где они образуют клетки тимуса, одонтобласты зубных зачатков и кости среднего уха и челюсти. Каудальнее 6-й жаберной дуги дают начало клапанам сердца и соответствующим ганглиям. Клетки, мигрирующие из туловищной части нервного гребня. В области сомитов 8-28). Клетки проходят один из трех путей. а) Дорсолатеральный путь: образование меланоцитов. Эти клетки проходят через дерму, попадая в эктодерму через отверстия в базальной пластине. Здесь они колонизируют кожу и волосяных фолликулов. б) Вентролатеральный путь: клетки нервного гребня проходят более вентрально через переднюю половину каждого склеротома. Склеротомы состоят из сегментированных участков мезодермы, полученной из сомитов, которые дифференцируются в позвоночный хрящ. Передняя и задняя части каждого склеротома экспрессируют разные молекулы лигандов и транскрипционных факторов. Клетки, проходящие через переднюю часть склеротома, образуют спинномозговые ганглии. в) Клетки третьего дорсовентрального пути миграции формируют симпатические ганглии, мозговое вещество надпочечников (рядом с сомитами 18-24) и нервные кластеры, окружающие аорту. Клетки из рострального нервного гребня также колонизируют пищевод и желудок. |