Nervsystemets utveckling Flashcards
Vilka 5 steg genomgår nervsystemets utveckling?
- Neural induction
- Neurogenesis & migration
- Patterning of the neural tube
- Axon guidance
- Synaptic refinement
What is the neural plate and what germ layer does it come from?
Nervsystemet är den första vävnaden som bildas i embryot. Efter 2 veckor kan man se den bildas. Nervsystemet har sitt ursprung i ektodermet, likt epidermis. Det tidigaste tecknet på nervsystemet är neuralplattan. Det är neuralplattan som invagineras in i embryot och bildar neuralröret. Röret går från huvud till svans och bildar CNS. I huvudregionen bildar tuben speciella former för att bilda huvud.
How is the neural plate specified: what signaling molecules and tissues are involved?
What is the Organizer?
What is induction and what is Noggin?
Det första steget i utvecklingen av nervsystemet är att avgöra vilka celler som skall utgöra centrala nervsystemet i ektodermet.
Induktion är en interaktion mellan två angränsande vävnader som resulterar i att de celler som svarar på en signalering kommer få ett förändrat öde. Vilka celler skickar denna signal och vilken signal rör det sig om? För att först få reda på var i embryot signalen kom från gjorde de flera experiment och sedan fann de the organizer som är en specialiserad region av mesodermet som secernerar en diffunderbar signal som inducerar neuralplattan.
Organizern kommer skicka en signal till dorsalt ektoderm för att nervceller ska bildas. Celler i ventrala ektodermet får inte denna signal och bildar epidermis.
Det visade sig vara flera signaler som organizern sänder ut, t.ex. noggin och chordin.
- Ödet för ektodermala celler är att bilda nervceller
- BMP-4 sekreteras av ektodermala celler vilket inhiberar neuronalt öde och kommer stimulera till epidermalt öde
- Inhibitorer till BMP-4 som chordin och noggin kommer sekreteras från organizern (mesoderm)
- Dessa diffunderar till ektoderm som ligger över mesodermet och inaktiverar BMP-4-proteiner
- Det blir en “repression av repressionen” av default neuronal fate så att nervceller och senare neuralplattan bildas.
Vilket experiment gjorde Spemann och Mangold på grodembryon och vad visade det?
Spemann och Mangold jobbade med grodembryon och kunde se att celler i dorsala ektodermet alltid blev en del av nervsystemet medan de ventrala cellerna bildade hud. Det fanns alltså en regional specialisering. De postulerade att vissa celler är förprogrammerade till att bli CNS.
Genom transplantationsexperiment såg de att ventrala celler som transplanterats till dorsala delen bildade nervvävnad. Cellerna var alltså inte förprogrammerade. Deras slutsats var att bildningen av neuralplattan sker någon gång under gastrulationen och att vissa signaler i dorsala embryot signalerar till nervcellsbildning.
Vilka experimentella bevis finns det för “The Default Model”?
Experimentellt bestyrks denna modell av att ektoderm från grodembryon som får växa i vävnadskultur där alla celler separerats från varandra kommer bilda nervceller. Om cellerna inte separeras kommer cellerna inhibera varandra och därför utvecklas till epidermis. Om man lägger till BMP till separerade celler kommer epidermala celler också att bildas. De celler som bildat epidermala celler kommer vid tillägg av noggin bilda nervceller.
What is neurogenesis and the “ventricular zone”?
What is neural migration, why does it happen in waves?
Man behöver generera neuron för att skapa nervsystemet. Det behöver skapas ett stort antal, hundratals miljarder neuron. Neuronen kommer från neuralplattan. Neuron skapas i “inner surface” hos neuralröret och migrerar mot “outer surface”. Bredvid ventrikeln kommer den ventrikulära zonen finnas där stamceller återfinns som bildar nervceller. Neuron kan inte dela sig och kommer istället migrera. Neuron lämnar den ventrikulära zonen och migrerar utåt med hjälp av radiella gliaceller. Gliacellerna bildar ställningarna som neuronen kan binda till och migrera längs med.
Detta sker på liknande vis på alla nivåer av neuralröret även om denna beskrivning gäller främst för neokortex.
Nervcellslager kommer att etableras utifrån när cellerna bildas. Neuron bildas i vågor och alla neuron från den vågen migrerar ut samtidigt. När nästa våg av neuron föds kommer de migrera bortom de redan bildade neuronen så att lagren kommer att bildas.
Are the Notch Delta signaling pathway and the plane of cell division important for neurogenesis and migration?
Det är inte helt klart i däggdjur hur neurogenesen sker. Vid neurogenes vet man dock att Notch-Delta-signalvägen är viktig. Denna signalväg innebär att hos stamcellerna (i ventrikulärzonen) är Notch-Delta viktig för att upprätthålla en stamcellspool.
En stamcell kommer med Notch-Delta väljas ut för att bilda en mer specialiserad/differentierad progenitorcell. Även vid differentiering av nervceller har Notch-Delta en roll.
Celler kan dela sig symmetriskt och ge upphov till likvärdiga dotterceller eller dela sig asymmetriskt. Stamceller kommer dela sig antingen symmetriskt och bilda två likvärdiga celler eller asymmetriskt och bilda en ny stamcell och en commited progenitor. De är två mekanismer som styr neurogenes.
Från neuralröret kommer stamceller dela sig och till slut dela sig asymmetriskt och bilda commited progenitorceller och sedan post-mitotiska celler - neuron.
What is meant by neural tube “patterning”?
How is this achieved along the dorso-ventral axis in the developing spinal cord?
What signaling mechanisms are involved?
What are morphogens, morphogenic gradients, positional information?
What is the floor plate and roof plate?
What is Sonic hedgehog, where does it come from, what is its distribution?
How does it work?
I ryggmärgssträngen kommer celltypen bero på positionen av den neuronala prekursorn i neuralröret.
Neuralröret kommer delas upp som lager av en tårta och varje “tårtbotten” är en viss celltyp. En väldigt ventral nervcell blir till exempel V3-neuron. Vilket neuron en prekursor blir bestäms vid bildandet av en committed progenitor.
Vilken molekylär mekanism ligger bakom detta? Denna patterning kommer bero på gradienter av morfogener som till exempel Shh. Cellödet kommer bestämmas av koncentrationen av morfogenen. Det finns två faktorer som kommer styra patterning längs den dorso-ventrala axeln:
● BMP från dorsala regionen (roof plate)
● Shh från ventrala regionen (floor plate)
Det är samspelet mellan dessa morfogener och den gradient som de ger upphov till som ger positionell information. Det bildas två gradienter som berättar för neuronen var de ligger.
How do cells interpret the signals in the Shh pathway in patterning of the neural tube?
How do homeobox genes link in to the pathway?
Om man tänker sig tre celler med olika påverkan av Shh kommer de binda upp olika antal receptorer som initierar en kaskad som kommer innebära att genuttrycket kommer skilja sig mellan cellerna genom de uttryckta transkriptionsfaktorerna.
Homeoboxgener är transkriptionsfaktorer som är “master regulators” som kommer stänga av och slå på promotorer. Dessa skall inte blandas ihop med Hox-gener som är en subtyp av homeoboxgener.
Olika homeoboxgener aktiveras och andra blir motverkade beroende på koncentrationer av Shh. Har man en prekursorcell nära floor plate kommer denna utsättas för mycket Shh och då uttrycka homeoboxgener som aktiveras av en hög koncentration av Shh medan andra homeoboxgener inte aktiveras. Prekursorcellerna har genom Shh-gradienten aktiverat olika homeoboxgener som ger en annan fenotyp.
Det finns en tydlig uppdelning av genuttryck beroende av morfogenkoncentration. Prekursorcellerna kommer sedan ge upphov till olika postmitotiska neuron beroende på position. Liknande processer sker vid hjärnans patterning. Det är dock mer komplext, fler gradienter och fler molekyler är involverade i den processen.
Axon guidance - what is this in general?
Axonprojektionerna kommer att gå från neuronen till olika delar av embryot. Hur går detta till? Det två komponenter som krävs för detta är:
● Growth cone (tillväxtkonen)
● Miljöfaktorer
- Kemoattraktion (t.ex. netrin)
- Kemorepulsion
- Kontaktattraktion
- Kontaktrepulsion
Vad är tillväxtkonen och vilken roll spelar den i axon guidance?
Tillväxtkonen har filopodier och lamellopodier mellan filopodierna.
Om man kollar i cytoskelettet kan man se många aktinfilament och mikrotubuli. Denna struktur är väldigt motil och kan röra på sig. Filopodierna kan sträckas ut och dras in igen och allt drivs av cytoskelettet.
Ytproteiner i tillväxtkonen kommer att signalera externa signaler till cytoskelettet och påverka hur detta byggs upp/bryts ned.
I vilka 4 typer kan miljöfaktorerna delas in i?
What are the four main different axon guidance mechanisms?
Vilken funktion har dessa miljöfaktorer?
What is the growth cone and its function?
Why are growth cone surface receptors and the cytoskeleton important?
Miljöfaktorerna kan delas in i 4 typer:
- Kemoattraktion (t.ex. netrin)
- Kemorepulsion
- Kontaktattraktion
- Kontaktrepulsion
Signalerna kommer utgöra gradienter som filopodierna sträcker sig mot. Även vid kontakt kommer det vara en gradient av signalmolekyler som tillväxtkonen kan svara på.
Kemoattraherande molekyler kan signalera till en tillväxtkon långt bort. Tillväxtkonen vänder sig då mot signalen och växer mot källan. Vad gäller kemorepulsion är det precis omvänt - om tillväxtkonen detekterar ämnet kommer konen att växa åt andra hållet.
På ytan av filopodierna finns receptorer. Tillväxtkonen kan bara upptäcka miljöfaktorerna om den har receptorerna för dem. Detta kommer leda till att aktinfilament byggs på eller tas bort i filopodierna. Det kommer även ske en förflyttning av mikrotubuli och organeller.
Tillväxtkonen kan på så sätt “se” signaler. När filopodierna binder till en attraherande molekyl kommer det att skicka en signal att en polymerisering ska ske så att filopodierna sträcks ut i riktning mot den attraherande molekylen.
Ett viktigt val som axon får ta är om de skall korsa mittlinjen eller inte. Ungefär hälften korsar mittlinjen och resten gör det inte.
Ett neuron vet om det ska korsa eller inte genom att miljöfaktorerna finns i själva mittlinjen. Miljöfaktorerna är då antingen attraherande eller leder till repulsion.
Förklara hur detta går till.
What signals determine axon pathfinding specifically across the midline?
What are Slit and Robo, describe where they are expressed
How do they work in axon guidance at the cellular & molecular level?
What are Netrins, how are they functionally different to Slit?
Kemorepulsion
En av de viktiga repellerande signalerna är Slit som sekreteras av celler i mittlinjen av neuralröret. Slits receptor Robo kommer att uttryckas på tillväxtkonen och axon/dendriter. Tillväxtkonen
kommer nedreglera Robo-receptorer och kommer inte bli inhiberad av Slit och kan därför passera mittlinjen. Det är ett regionalt uttryck av Robo som är beroende av tid.
Efter att axonet har korsat mittlinjen ökar uttrycket av Robo igen för att säkerställa att axonet inte korsar igen. Neuron som aldrig korsar medellinjen nedreglerar aldrig Robo (slitreceptor).
En teori gällande uppregleringen är att en annan signal i mittlinjen kommer innebära att neuronen uppreglerar Robo igen men det finns indikationer på att detta inte stämmer.
Robo-uttrycket kommer variera vilket är naturligt med tanke på att neuronen är av olika typer vid detta stadie.
Kemoattraktion
Netriner är proteiner som secerneras i medellinjen vid floor plate. DCC är en netrinreceptor som kommer uttryckas hos vissa neuron/axoner som kan tolka netrin till attraherande signaler.
Om man har en knockout av netrin-1 ser man att axonen misslyckas med att nå och korsa floor plate. Det visar att om netrin saknas har axonen inget att växa mot.
Slit och netrin vid mittlinjen
Slit och netrin kommer vid mittlinjen samverka för att rikta axoner vid mittlinjen. En skillnad i uttrycket av olika Robo-receptorer kommer mediera en selektion av longitudinella fasciklar.
Om Slit saknas kommer axonen fastna kring mittlinjen och gå i cirklar.
Om man kollar på synsystemet kan man se ett exempel på kontaktattraktion/kontaktrepulsion.
Det är väsentligt för synen att neuronen i näthinnan hamnar på rätt stället i kortex.
Förklara hur detta går till.
What signals are important for axon guidance in the visual system?
Den viktigaste typen av molekyler i synsystemet är efrin.
Synnervskorsningen
Synnerven kommer att ha banor som korsas vid optic chiasm. Neuron nära näsan kommer korsa vid optic chiasm medan de mer temporalt (mot tinningen) lagda inte korsar. Hur vet de att de skall göra så?
Det kommer ske genom att Epfrin B, en membranbunden ligand som uttrycks i mittlinjen kommer agera ligand för receptorer (Ephrin B receptor) som bara finns på temporala neuron från vänster ögat. Den kommer verka repellerande vilket leder till att axonen istället för att korsa över till högra sidan håller sig på vänster sida. Receptorerna finns inte på de mot näsan lagda neuronen från höger öga vilket leder till ett axonen korsar över som vanligt.
Orientering till LGN
Efter att de tidigare nämnda axonen korsat till vänster sida kommer axonen terminera på olika ställen i LGN. De temporala neuronen kommer att terminera i främre delen av LGN medan de nasala terminerar i den bakre delen av LGN.
Både på retina och i LGN kommer gradienter att finnas, av receptor och ligand. Ephrin A’s (liganden) kommer att uttryckas i en gradient i LGN medan EphA (receptorn) uttrycks i en gradient i näthinnan. Höga nivåer av ephrin kommer vara repulsivt för temporala neuron som uttrycker ett stort antal receptorer medan höga nivåer av ephrin kommer “attrahera” nasala neuron som uttrycker ett litet antal receptorer (eller snarare inte bli repulsivt förrän koncentrationerna av ephrin blir riktigt höga).
