Слайд 1Биология развития нервной системы.
Александрова М.А.
ИБР РАН
2017
Слайд 2Происхождение нервных клеток -Evolution of nervous systems
Нейронная теория - Neuron
doctrine
Гены раннего нейрогенеза –neural development (нейральная индукция), proneural genes
Аксоны
пионеры и регуляторы конуса роста - Pioneer neuron, pioneer axon
Пространственно-временной паттерн пронейральных транскрипционных факторов
Молекулярные механизмы развития коры мозга млекопитающих - Cerebral cortex; Reelin; Radial glial cell; Corticogenesis
Тема лекции
Слайд 3Существование живых организмов зависит от умения общаться с внешним миром.
Эукариоты.
Многоклеточные. (540-620 млн лет.)
У многоклеточных клетки должны быть агрегированы, между
клетками должно осуществляться разделение функций,
между агрегированными клетками должны устанавливаться устойчивые специфические контакты.
Возникает необходимость координации между разными типами клеток.
Реакция организма на изменения во внешней и внутренней среде требует специальных клеток для восприятия и клеток для реакции.
Эукариоты. 1,5 – 2 млд. Одноклеточные реагируют на изменения среды посредством мембранных рецепторов, жгутиков, светочувствительных органелл и др.
Прокариоты. Безъядерные - бактерии и археи (3.5 млд)
Staphylococcus aureus
Слайд 4Появление нервных клеток в организме связано непосредственно с реактивностью на
внешние раздражения, т.е. с функцией, которая в первую очередь обнаруживается
в пограничных пластах, отделяющих внутреннюю среду от внешнего мира. Пограничными тканями являются эпителии, клетки которых имеют полярную дифференцировку. Первые нейроны должны были обладать этой полярностью и , вероятно, по оси полярности и пошло проведение импульса от рецепторной точки к эффектору.
Нервная система является основной интегрирующей системой у многоклеточных животных
Слайд 5Теории происхождения и эволюции нервных клеток
1. Теория Н. Клейненберга (1872)-
нейроны возникли от единого нервно-мышечного элемента.(Nicolaus Kleinenberg, 1842-1897, немецкий зоолог,
работал с гидрой)
2. Теория О. и Р. Гертвигов (1878)- независимое развитие нервных и мышечных клеток.(Richard und Oscar Hertwig, 1850-1930, немецкие биологи, изучали медузу)
3. Теория Паркера Г.-”The Elementary Nervous System”1919г. (Независимое происхождение компонентов НС-эффекторы мышцы, рецепторы, центральные нейроны)
4. Теория Пантина К. и Пассано (Pantin, Passano 1950-60) нейроны происходят из клеток пейсмекерного типа – промиоцитов из которых затем сформировались и мышечные клетки.
5. Теория Грюндфеста Г. (1959) – нейроны происходят от предковых сенсорных нейросекреторных клеток, поддержана Кларком (1956) и Д.А. Сахаровым. Секреция примитивное свойство нервных клеток, нейроны гетерогенны по нейротрансмиттерам и имеют независимое происхождение.
6. Теории на основе геномики и молекулярно-генетических исследований. Имеются данные в поддержку монофилитической и полифилитической теории происхождения.
Слайд 6 Молекулярно-генетические исследования показывают, что в возникновении нервной системы
принимают участие транскрипционные регуляторы семейства Sox (SoxB), сигнальные регуляторы семейств
BMP, WNT, Notch, группа «пронейральных генов» basic helix-loop-helix (bHLH), Acheate Scute (ASH), Atonal family (ATO) и др.
Донервная регуляция гуморальная (хемотаксис, фототаксис, термотаксис)
Появление нервных клеток
Сократительные клетки
Слайд 7Sponges (губки)
Есть сократительные клетки, но нет нервных.
Cnidarian (гидра) – появляются
нервные клетки, которые не объединены в нервную систему (нет синапсов)
Диффузная нервная система клетки пейсмекерного типа
е – эфекторная клетка; s – сенсомоторная клетка; м - мотонейрон
Билатеральное проведение сигнала нервной клеткой (отсутствие синапсов)
Одноклеточные-многоклеточные?
Многоклеточные
ГАМК, глютамат, NO !
Донервная регуляция нейротрансмиттерами
Слайд 8Цефализация и формирование ганглиев
Плоские черви (головной конец, рот, анус). Планария
- билатеральная НС.
Между нейронами синаптические контакты
Слайд 9Развитие и усложнение сегментарной нервной системы наблюдается у высших беспозвоночных
животных - насекомых.
Мозговой отдел воспринимает зрительные, обонятельные, осязательные и
другие раздражения, анализирует их и отвечает движениями конечностей, крыльев и других органов.
Узловая (ганглионарная) нервная система
Параллельно возникают и усложняются органы чувств, опосредующие физические, электромагнитные и химические сигналы. В процессе эволюции органы чувств возникли у нематод, свободноживущих плоских и круглых червей, кишечнополостных, иглокожих и многих других примитивных живых существ.
Слайд 10НС позвоночных в отличие от беспозвоночных -занимает спинное положение, развивается
из спинной эктодермы зародыша, представлена трубкой.
Слайд 11Parallel evolution and diversity of nervous systems
Brain Behav Evol 2009;74:177–190
(гребневики)
(губки)
(кораллы,
медузы…)
(вторичноротые)
(первичноротые)
Билатеральные животные
Радиально симметричные
Слайд 12Два сценария эволюции нервных клеток: полифилия- независимое происхождение и монофилия-
от единого предка
Moroz L.L, Kohn A.B. 2016 Independent origins of
neurons and synapses: insights from ctenophores (2016) Phil. Trans. R. Soc. B
(гребневики)
(губки)
(кораллы, медузы…)
полифилия
монофилия
Слайд 13Nature. ; 2012. 483(7389): 289–294
Генетическая программа гомологичная трем сигнальным центрам
позвоночных (the anterior neural ridge (ANR), zona limitans intrathalamica (ZLI),
and isthmic organizer (IsO)) присутствует у полухордовых (hemichordate Saccoglossus kowalevskii).
Saccoglossus kowalevskii.
Слайд 14Геном человека содержит примерно 30000 генов и около 50% из
них экспрессируются в ткани мозга. В мозге человека уровень экспрессии
генов много выше по сравнению с мозгом мышей, но сравним с мозгом человекообразных приматов. Профиль экспрессии генов в мозге четко отличен от других соматических тканей. Определен ряд генов, которые отличают ЦНС от других тканей.
Нервная система человека
Слайд 15Neurogenetics (2006) 7: 67–80
Gene expression analyses reveal molecular relationships
among 20
regions of the human CNS
ненейрональные ткани
ПНС
ЦНС
Слайд 16MBP myelin basic protein
glial high affinity glutamate transporter
GRM3 glutamate receptor,
metabotropic 3
(рецептор возбуждающего нейротрансмиттера)
Neurogenetics (2006) 7: 67–80
pan-CNS-specific expression profiles
Слайд 17анализаторную (анализ поступающей по сенсорным системам информации),
интегративную (объединение, связь
сигналов от различных сенсорных и моторных структур нервной системы; анализ
информации, обучение, память, образование временных связей)
моторную (организация ответных движений),
организацию психических процессов.
регулирует и интегрирует функции внутренних органов (висцеральная функция).
Нервная система выполняет в организме высших животных ряд функций:
Для построения адекватного поведения нервные системы должны анализировать информацию, сравнивать, запоминать и строить прогноз.
Слайд 18Как устроена нервная система?
Теория сети
Герлах, Гельд, Мейнерт и Гольджи
Нервная ткань -
своеобразный синцитий, в котором отростки клеток переходят один в другой.
Нейронная теория
Гис В. и Форель
Каждая нервная клетка представляет собой самостоятельную единицу.
Метод окраски нервной ткани открытый К. Гольджи около 1875 года.
В 1891 году немецкий анатом Вальдеер предложил термин – нейрон.
В 1897 году физиолог Шеррингтон Ч.С. предлагает термин – синапс.
Слайд 19S. Ramon y Cajal
1852-1934
Создатель «Нейронной теории»
1.
Каждый нейрон является клеточной единицей самостоятельной в генетическом, анатомическом и
функциональном отношении.
2. Каждый нейрон у зародыша развивается из единой зародышевой клетки-нейробласта. Особенность нейрона в том, что он никогда не делится.
3. Нейрон- поляризованная клетка. Он состоит из тела и отростков-дендритов и аксонов.
4. Связи между нейронами не случайны, а наоборот высокоспецифичны.
Слайд 21В основе развития нервной системы лежат процессы:
Индукция эктодермы
Детерминация и
позиционная
информация
Пролиферация клеток
Миграция
Дифференцировка
Апоптоз
Рост отростков
Формирование связей
Синаптогенез
Элиминацией избыточных связей
Стабилизацией связей
Слайд 22Развитие нервной системы позвоночных
I. Мезодермальная индукция – Vg1 (TGF-B), activin,
BMP2,4, FGF, WNT
II. Нейральная индукция – noggin, follistatin, chordin
Слайд 23Мозг, базальная пластинка, нотохорд
Передняя эндодерма - граница c ЦНС
Сигнальные центры
у Xenopus
BCNE-blastula chordin, noggin expressing center
(WNT)
Dorsal
Слайд 24Neural Induction in Xenopus
PLoS Biology May 2004 | Volume
2 | Issue 5 | Page 0624
Экспрессия генов в сигнальных
центрах у ксенопуса
Слайд 25Нервная индукция (т.н. по умолчанию) - блокада BMP4 в части
клеток эктодермы приводит к их нейрализации
Молекулы адгезии N-CAM, N-cadherin
Молекулы адгезии
E-CAM; E-cadherin
Нейральная индукция клеток эктодермы
нотохорд
SoxB factors
proneural genes
Экспрессия генов семейства SoxB начинается на стадии ранней гаструлы
WNT
Слайд 26У млекопитающих результатом взаимодействия BMP4 и chordin является активация пронейральных
basicHLH транскрипционных факторов- MASH-1,2
+FGF
передняя ось
задняя ось
Нейральная индукция клеток эктодермы
SoxB factors
В
нейроэктодерме экспрессия пронейральных генов - Helix-loop-helix (bHLH); Achaete Scute family (ASH) and Atonal family (ATO) family -
Экспрессия Chordin в прегаструле ксенопуса
Экспрессия Noggin в гаструле ксенопуса
Sox2
Sox2
Слайд 27Механизмы нейральной индукции
Smad(s) - внутриклеточный передатчик сигнала BMPs
Слайд 28Факторы аксиальной мезодермы (организатора)
CBP / p300
Слайд 29Нокаут генов noggin (В) и noggin+chordin (С) у мышей приводит
к разным дефектам в развитии головы.
(From Bachiller et al., 2000)
WT
Noggin/chordin -/-
Noggin -/-
Слайд 30Детерминация и позиционная информация
Определение судьбы нейральных клеток начинается со
стадии бластулы и далее активируются SoxB и пронейральные гены bHLH,
ATO, ASC, Notch, Snail, Numb
Слайд 31Модели развития нервной системы:
Мозаичная модель – детерминирована
судьба отдельной клетки
(беспозвоночные).
Регуляционная модель – случайное и изменяемое развитие отдельных клеток, при
детерминированности только нейрального направления
Клональная модель – детерминирована судьба отдельных групп клеток, которые являются потомками одного бластомера.
Слайд 32Мозаичная модель – детерминирована судьба отдельной клетки (беспозвоночные).
Слайд 33Аm
Al
Al
Pm
Pm
Pl
Pl
Клональная модель развития мозга -
М. Джекобсон, Г. Хирозе (мечение бластомеров HRP).
Бластула, состоящая из
512 бластомеров. В области анимального полюса 7 клональных компартментов (по 20 клеток) определяют нервную систему еще до момента индукции. В ходе формирования нервной пластинки клетки мигрируют, но не переходят в другие компартменты.
Am, Al – anterio medial; … lateral
Am – v.mesencephalon; v.diencephalon; v.retina; v.telencephalon.
Al - d.mesencephalon; d.diencephalon; d.retina; d.telencephalon.
Pm, Pl – posterior medial;. .. lateral.
Pm – v.spinal cord; v.rhombencephalon.
Pl – d.rhombencephalon; d.spinal cord.
Слайд 34Int. J. Dev. BioI. 411:735-743 (1996)
Гены ранней паттернизации передней части
нервной пластинки Dll, Wnt, POU, pax6, LIM
Слайд 35Бластула
Гаструла
Нейрула
Детерминация
Вероятно, процесс детерминации начинается в бластуле, а закрепляется при появление
осевых структур и приурочен к стадии поздней гаструлы.
Слайд 36Они имеют сходную пространственную организацию и сходный порядок вдоль хромосом
Нох гены консервативны в эволюционном ряду.
HOX (гомеобоксные) гены руководят формированием
плана тела, устанавливая разграничение головного и хвостового отделов.
Слайд 37Дорзо-вентральный паттерн в нервной трубке устанавливают BMPs и WNT со
стороны эпидермиса и Shh (Sonic hedgehog), который экспрессируется в базальной
пластинке и нотохорде.
Гомеобоксные гены, участвующие в этих процессах: Nkx2.2, Nkx6.1, Pax6, Pax7, Dbx1, Dbx2 и др.
D
V
Слайд 38NIH PA 2011
Градиенты многих морфогенов и транскрипционных факторов координируют структурную
организацию мозга
FGF +
Уровень переднего мозга
Уровень спинного мозга
Слайд 39Распределение транскрипционных факторов и сигнальных молекул в развивающейся нервной трубке
меняется во времени.
Слайд 40
Важную роль в развитии и формировании структур переднего мозга играют
регуляторные гены кодирующие транскрипционные факторы
Pax6 – Paired box gene 6
Otx1, 2 - Orthodenticle family genes
Dlx1, 2, 5 - Distal-less family genes
Emx1,2 - Empty-spiracles family gene
Слайд 41Pax6 – Paired box gene 6 играет важную роль в
развитии НС, «мастер ген» для развития глаза и др.
Pax6
участвует в индукции оптических и назальных структур у зародыша крысы
WT
PAX-/-
Слайд 42Pax6 в развитии разных структур мозга
Слайд 43Empty-spiracles family gene - Emx2 экспрессия появляется в вентрикулярной герминальной
зоне, ранний маркер неокортекса (Е8.5), играет роль в кортикальном нейрогенезе.
Emx2 экспрессируется в основном во всех кортикальных нейронах, которые мигрируют, пролиферируют, дифференцируются и уже дифференцированных и затем исчезает.
Слайд 44Nature.Rev. 434 | JUNE 2007 | VOLUME 8
У мышей нокаутных
по Emx2/Pax6 не формируется неокортекс
Emx2, Pax6, Lhx2 and Foxg1 have
crucial roles in the specification of neocortical progenitors
Слайд 45Транскрипционные факторы Emx2 и Pax6 определяют специфичность представительства сенсорных модальностей
по коре мозга.
Дикий тип
Градиенты транскрипционных факторов в неокортексе
Слайд 46Orthodenticle family genes - Otx2 ген в развитии переднего мозга
и передней части головы. Делеция гена otx2 у мышей приводит
к утрате передних отделов, хотя сохраняются структуры заднего мозга (анэнцефалия)
Слайд 47На эктодерме дрозофилы установлено, что Notch/Delta сигнальная система определяет дифференцировку
в нейробласты.
Судьба клетки зависит от уровня активности Notch рецепторов.
У мутантов Notch-/- все пронейральные клетки развиваются в нейробласты.
Сигнальная система Notch/Delta регулирует латеральное торможение в соседних клетках при нейрогенезе.
>> Delta, Neurogenin, NeuroD
<
Слайд 48Numb ингибитор Notch. Ассиметричное распределение Numb определяет судьбу клетки при
делении стволовых нейроэпителиальных клеток и нейробластов неокортекса.
Q. Shen et al.,
Dev. 2002.
Слайд 49Дифференцировка нейрона регулируется множеством факторов
Слайд 50Дифференцировка нервных клеток в развивающейся нервной системе происходит в разных
структурах в разное время. Это явление называется-гетерохрония
Созревание постмитотических нейронов
включает в себя целый комплекс процессов, завершающийся установлением специфических связей между нейронами. Основными критериями дифференцировки нейронов, т.е. возникновение их структурных фенотипических различий, являются особенности роста и ветвления их отростков - аксонов и дендритов.
Слайд 51Neuron. 2011 October 6; 72(1): 22–40.
Дискретные транскрипционные факторы в пространстве
и времени регулируют полярность нейрона и морфогенез
Поляризация
Рост аксона
Миграция
рост аксона
Блок миграции и развитие дендритов
Миграция рост аксона
Слайд 52Путями для миграции конуса роста могут быть границы компартментов
Аксоны пионеры
(pioneer axon) прокладывают пути на ранних стадиях формирования мозга (Э
9-10 сут).
Cold Spring Harb Perspect Biol2010;2:a001917
Слайд 53Навигация аксона- пионера с помощью нейронов ориентиров
Нейроны Ti 1 лапки
кузнечика посылают аксоны в ЦНС
В траектории аксона есть 6 четких
изгибов в местах его встречи с локальными метками-ориентирами
Метками могут служить нейроны (Fe 1, Tr 1, Cx1)
Удаление Сх1 блокирует рост в ЦНС
Taghert et al., 1982.
Слайд 54На развивающейся личинке дрозофилы установлена роль САМ- фасциклина II в
процессе фасцикуляции аксонов (Grenningloh et al. 1991).
По аксонам-пионерам растут другие
аксоны и собираются в пучки-фасцикулируют. Много собранных вместе аксонов формируют волоконные тракты и нервы (роль spontaneous depolarization).
Слайд 55Соответствующие по времени воздействия комплексов специфических молекулярных факторов, являются критичными
для правильного развития структур мозга и дифференцировки отдельных нервных клеток
Слайд 56У млекопитающих нервные клетки формируются из двух источников:
1.Нервной трубки
2. Ганглиозной
пластинки (нервного гребня)
Слайд 57Из нервной трубки формируется головной и спинной мозг.
Слайд 58Судьба клеток нервного гребня.
Из нервного гребня формируются клетки периферической нервной
системы, вегетативные ганглии, клетки мягкой мозговой оболочки, пигментные клетки, хрящевые
клетки, мозговое в-во надпочечников
Слайд 59Время выхода в дифференцировку разных типов клеток нервной системы
Слайд 60Развитие коры мозга. Факторы bHLH контролируют пролиферацию и дифференцировку нервных
клеток (NeuroD, Ngns, Mash, Olig и др.)
Ngn1, Ngn2
Ngns ответственны за
образование глутаматергических нейронов, mash1 дает начало ГАМКергическим и холинергическим нейронам
mash1
Слайд 61Радиальная миграция нейробластов по отросткам клеток радиальной глии.
Sidman and Rakic
(1973)
Слайд 62Nature.Rev. 434 | JUNE 2007 | VOLUME 8
Генерация нейронов в
неокортексе. Транскрипционные факторы определяющие разные типы нейронов
Слайд 63NATURE REVIEWS | NEUROSCIENCE VOLUME 8 |JUNE 2007 |
Развитие клеток
в ЦНС подчиняется пространственно-временным градиентам.
В неокортексе первыми родятся нейроны
VI слоя, V слоя, IV слоя и III и II слоев.
Определенные типы нейронов в неокортексе родятся в разное время. Они мигрируют «изнутри в наружу»
Слайд 64Белок Reelin регулирует клеточные взаимодействия, миграцию клеток и организацию кортикальной
пластинки. (Reeler mice).
Reelin- гликопротеин, регулирует миграцию и позиционирование нервных клеток
в период фетального и раннего постнатального развития.
ApoER2 – необходим для миграции поздних кортикальных нейронов
VLDLR – (very-low-density-lipoprotein receptor) выполняет роль стоп сигнала
Cdk5 –внутриклеточный адаптор Reelin сигналинга (миграция и созревание нейронов)
Слайд 65Мутация по гену reeler приводит к дезорганизации неокортекса
Слайд 66Конус роста аксона
Конус роста аксона имеет двигательный и сенсорный аппараты.
По окончании движения он образует синапс с клеткой ткани-мишени
Аксонный транспорт-
ретроградный и антероградный
Слайд 67Молекулы – регуляторы роста аксона (конус роста)
Neural Development 2013, 8:17
Слайд 68Навигация аксонов осуществляется за счет отталкивания и аттракции
Слайд 69Хемотрофические молекулы навигаторы являются членами консервативных семейств лиганд/рецепторных сигнальных систем.
1. Semaphorins и их рецепторы Plexin- Neurophilin; (чаще репелленты)
2. Netrins
и их рецепторы DCC - позвоночные, Unc5- беспозвоночные (репелленты и атрактанты)
3. Ephrins и их рецепторы Eph;
4. Slits и их рецепторы Robo. (репелленты и атрактанты)
К навигаторам относится и часть морфогенов:
BMP7; SHH; FGF8; WNT; NGF.
Слайд 70Формирование связей между нейронами включает несколько этапов. Эпигенетические влияния.
Как зрительные
(V), так и моторные (M) нейроны 5-го слоя коры начинают
расти к стволу мимо ряда будущих мишеней (А), позже давая к ним коллатерали (В)
Конечная картина складывается путём избирательного элиминирования сегментов сообразно функциональной специфике нейрона
Нейроны не установившие связей с мишенью гибнут путем апоптоза
Слайд 71Элиминация нейронов.
В процессе развития нервной системы происходит элиминация «ненужных» нейронов.
В зависимости от региона мозга от 20 до 80 %
нейронов гибнет путем апоптоза.
Слайд 72TUNEL
Апоптоз при развитии неокортекса
Слайд 73Сложные комплексы молекулярно-генетических факторов, изменяющихся в пространстве и времени руководят
формированием нервной системы. Нервная система развивается проходя ряд последовательных этапов
с точной временной последовательностью, которая специфична для каждой нервной структуры.
В процессе развития каждый нейрон связывается с определенной клеткой-мишенью и эти связи образуются только с определенной областью поверхностной мембраны клетки-мишени.
