Entwicklungs-Neurobiologie – Zusammenfassung

Entwicklungs-Neurobiologie

Induktion und Neurogenese

  • Themen:
    • Induktion und Neurogenese.
    • Axogenese und Pathfinding.
    • Diversität wird während der Entwicklung festgelegt.
  • Schnitt durch das Rückenmark (RM): Sehr dicht gepackt, viele verschiedene Arten von Zellkörpern.

Induktion des Nervensystems

  • Keimblätter:
    • Ektoderm: zukünftige Epidermis + Nervensystem (Ekto=außen).
    • Mesoderm: "organizer" und Muskel (Meso=Mitte).
    • Endoderm: (Endo=innen).
  • Neuronales Gewebeentstehung:
    • Blastula-Stadium.
    • Blastoporenlippe.
    • Frühes Entwicklungsstadium.
    • Haut: Sehr wichtig für die Bildung des NS.
  • Gastrulation:
    • Einstülpungsprozess.
    • Am Ende der Gastrulation sieht man beim Embryo nur noch das Ektoderm.

Rolle des Gewebes bei der Induktion des Nervensystems

  • **Transplantationsexperiment (Mangold und Spemann): ** * Organizer-Region: Region im Embryo direkt über der Blastoporenlippe.
    • Transplantation von Donorembryo in Empfängerembryo (ventrale Seite).
    • Transplantation des Organizers bewirkt die Entstehung einer zweiten embryonalen Achse (Neural Plate).
    • Insertion ist nur möglich, wenn die Organizer-Region insertiert wird.

Induktion durch Transplantation

  • Die Transplantation eines sehr kleinen Teils eines Embryos ist in der Lage, ein fast perfektes Nervensystem zu induzieren (INDUKTION).
  • Zweite embryonale Achse entsteht aus Empfängergewebe (pigmentiert), außer Notochord: besteht aus Donorzellen.
  • Der implantierte Teil gibt ein Signal zur Entwicklung des Nervensystems.

Moleküle verantwortlich für die Induktion neuronalen Gewebes

  • Chick "organizer" = Hensen's node = Signalzentrum
  • Kriterien für in vivo Induktion:
    1. Genügend, um als einzelnes Molekül neuronales Gewebe induzieren zu können.
    2. In vivo Expression in der Region von Hensen's node.

Rezeptoren und Liganden

  • Rezeptoren: TGF beta Rezeptoren - zytoplasmatischer Thr/Ser Kinase Aktivität.
  • Aktivierende Liganden: TGFbeta (Transforming Growth Factor Family): z.B. Aktivin, BMPs (Bone Morphogenetic Proteins) etc.
  • Inhibitoren für TGFbeta Liganden: Noggin, Follistatin, Chordin.
  • TGFbeta Proteine, BMPs
  • TGFbeta Inhibitoren: Noggin, Follistatin, Chordin neutralisieren vorhandene TGFbeta Proteine, BMPs.
  • Epidermis/Haut: Rezeptor wird NICHT aktiviert.
  • Neuronales Gewebe: Rezeptor wird aktiviert
  • Sekretierte INHIBITOREN für TGFbeta Liganden: Noggin, Follistatin, Chordin Expression in Signalzentrum Chordin mRNA.

Neurulation

  • Einstülpung, sodass das NS getrennt wird.
  • Spina bifida: Wenn dieser Prozess gestört ist und das RM offen ist.
  • Prozess:
    • Neural folds.
    • Neural tube.
    • MHP (floor plate).
    • Epidermis.
    • Neural crest.
    • Notochord.

Anterior-Posteriore Musterbildung im Nervensystem

  • Patterning "Fate Map" während des Stadiums der Neuralplatte.
  • Methode: Zellmarkierung mittels Farbstoff -> wo sind diese Zellen später zu finden?
    • Amphibien
    • Hühnchen
    • Rückenmark
  • M: Mesencephalon (Mittelhirn)
  • r1- r8: Rhombomere; Hindbrain
  • SC: Spinal Cord (Rückenmark)
  • N: Notochord (mesodermalen Ursprungs)
  • Prosencephalon
  • D: Diencephalon
  • T: Telencephalon
  • Anterior
  • P Posterior
  • Frontalbereich, Cortex

Signalquellen

  • Sonic hedgehog (shh): Notochord und Floorplate
  • Wnt1
  • Fibroblast growth factor 8 (FGF8): mid-hindbrain junction
  • Patterning durch Signalquellen, sekretierte Signale.
  • Alle Signale zusammen geben dem Embryo die Identität = GPS für das NS

Rhombomere und Hox-Gene

  • Rhombomere (1-7) im Hindbrain weisen scharfe anterior-posterior Grenzen in Genexpression auf.
  • Patterning durch Hox-Transkriptionsfaktoren.
  • Anhand des Musters der Genexpression ist es möglich, das Rhombomer vorherzusagen.
  • Regionalisierung durch "Segmentation".
  • Kolinearität der Hox-Gene & Konservierung über Spezies.
  • In Drosophila nur ein Hox-gen cluster.
  • In Maus mehrere.

Zelladhäsion in Rhombomeren

  • Grenzenbildung in Rhombomeren durch Zelladhäsionsmoleküle.
  • Zellen in verschiedenen Rhombomeren weisen verschiedene Affinität bezüglich Zelladhäsion zueinander auf (in vitro).

Segmentale Innervation der Muskulatur

  • Thorakaler Bereich: Innervation der axialen Muskulatur (Körperhaltung!).
  • Brachialer/Lumbarer Bereich: Innervation der Extremitäten: braucht mehr und spezialisierte Motoneuronen.
  • LMC: Lateral Motor Column; innerviert Muskulatur der Extremitäten.
  • MMC: Medial Motor Column; innerviert axiale Muskulatur.

Dorsal-Ventrale Musterbildung im Nervensystem

  • Embryonale Strukturen während der Neuralrohrbildung:
    • N: Notochord -> ventral, mesodermal, Signalquelle.
    • F: Floorplate (Bodenplatte) -> direkt dorsal von Notochord, Signalquelle.
    • R: Roofplate (Dachplatte) -> dorsal, Signalquelle.
    • S: Somiten -> Mesoderm -> Muskeln.
  • Ventrale Quelle: Sonic Hedgehog (shh)
  • Dorsale Quelle: Bone morphogenetic proteins (BMPs)
  • Musterbildung vor Neurogenese.
  • Motoneuronen (MN).
  • Interneuronen (V).

Notochord und Motoneuronen

  • Notochord + Floorplate (Bodenplatte) sind für die Motoneuronengeneration verantwortlich.
  • Normal: 1 Notochord -> Motoneuronen symmetrisch und ventral.
  • Zusätzliche Notochord: -> ektopische Motoneuronen dorsal im gleichen Abstand zu N'.
  • Keine Notochord: -> keine Motoneuronen.
  • Die Notochord exprimiert Shh (Sonic Hedgehog).

Morphogene

  • Ein Morphogen ist ein diffundierbares Signal, welches in verschiedenen Abständen von der Signalquelle die Beeinflussung zu verschiedenen Zelltypen (cell fates) bewirken kann (Schwellenwerte der Konzentration).
  • Bestimmte Konzentration des Morphogens ergibt bestimmte Zellidentität (Morphogengradient).
  • Wirkungsweise eines Morphogens: Morphogen-Quelle.
  • Sonic Hedgehog (shh) ist ein Morphogen für Zelltypen des ventralen Rückenmarks.
  • Verschiedene Zelltypen werden durch verschiedene Shh Konzentrationen induziert.
  • Transkriptionsfaktoren markieren verschiedene Zelltypen im ventralen Rückenmark.
  • In vitro Induktions-assay.
  • Unterschiedliche Konzentrationen von Shh können in einem naiven Explantat die Induktion von verschiedenen neuronalen Typen bewirken.
    • 4nM shh -> V3 Interneuronen
    • 3nM shh -> Motoneuronen
    • 2nM shh -> V2 Interneuronen

Musterbildung im Gehirn

  • Musterbildung im Gehirn verläuft nach ähnlichen Prinzipien wie im Rückenmark.
  • Auch das Gehirn wird schon während der frühen Embryonalentwicklung mittels Signalquellen regionalisiert.
  • Signalquellen im Embryonalen Gehirn: FGF8, Wnt3a.
  • Generelle Topographie zwischen verschiedenen Spezies konserviert, aber verschiedene Größen der kortikalen Bereiche für verschiedene Spezies.

Zellmigration bei der Entwicklung des Nervensystems

  • Kortikale Neurogenese – Neuronale Migration
    • VZ: Ventrikuläre Zone: Vorläuferzellen von Neuronen/Glia (progenitors) Zellteilungszone
    • PP: Preplate: Erste generierte postmitotische Neuronen
    • IZ: Intermediate Zone: Axonen von Thalamus und der ersten kort. Neuronen
    • CP: Cortical Plate: Layer II-VI Neuronen (Spaltet PP in SP (Subplate; Transiente Neuronen) und MZ (Marginal Zone; später Layer I))
  • "inside-out" Migration entlang radialer Gliazellen.
  • Generierte Neuronen migrieren entlang radialen Glia-zellen (Radial Glia).
  • Migration der Zellen der Neuralleiste (Neural Crest):
    1. sympathetische Ganglien
    2. sensorische Ganglien (Hinterwurzelganglien, Dorsal Root Ganglia, DRG)
    3. Melanozyten
  • Migration der Körnerzellen (granule cells) im Cerebellum
    • Körnerzellen im Cerebellum migrieren von der äußeren Körnerzellschicht durch die Molekularschicht und Purkinjezellschicht zur inneren Körnerzellschicht.
    • Migration entlang von radialen Gliazellen.
    • Outside in