Источники нейральных клеток. Рост аксонов и формирование синапсов Лекция 14
advertisement
Лекция 14 Источники нейральных клеток. Рост аксонов и формирование синапсов НЕЙРОГЕНЕЗ • The induction and patterning of a neuronforming (neurogenic) region of ectoderm • The birth and migration of neurons and glia cells • The specification of cell fates • The guidence of axonal growth cones to specific targets • The formation of synaptic connections • The binding of trophic factors for survival and differentiation • The competitive rearrangement of functional synapses • Continued synaptic plasticity during organism’s life -time Три источника клеток НС • Клетки нервной трубки – источник ЦНС • Клетки нервного гребня – источник периферийной нервной системы • Клетки черепных плакод – источник некоторых черепных нервов и ряда сенсорных органов • Можно говорить и о других источниках, которые ещё не охарактеризованы. Нервный гребень и периферийная нервная система Схематическое представление образования клеток нервного гребня у амниот (куриного зародыша). Клетки НГ образуются в местах контакта синтезирующей Wnt6 эпидермальной и продуцирующей BMP будущей нейральной эктодермы (по Gilbert, 2003) (Gilbert, 2003). Миграция клеток нервного гребня в туловище куриного зародыша Нервный гребень может рассматриваться у позвоночных как «четвёртый зародышевый листок», а его клетки могут считаться мультипотентными стволовыми клетками Мультипотентность (полипотентность) клеток туловищного отдела НГ Судьба клеток НГ определяется окружением Gilbert, 2003 Окончательная дифференцировка клеток НГ туловищного отдела предопределена вариантами: адреномедуллярные клетки мозгового вва надпочечников либо симпатические нейроны (Gilbert, 2003) Индукция и компетенция линии клеток НГ , становящихся симпатическими нейронами (Gilbert, 2000) • Пути миграции клеток нервного гребня в организме определяются паракринными факторами, хемотактильными факторами и нейротрофными агентами, продуцируемыми клетками, встречающимися на пути миграции. • Краниальные плакоды Cranial placodes are local and transient thickenings of the ectoderm between the epidermal and neural ectoderm. The placodes are induced by the neighboring tissue. The epibranchial placodes form dorsally to where the pharyngeal pouches contact the epidermis. These structures split to form the geniculate, petrosal, and nodose placodes which give rise to the sensory neurones of the facial, glossopharyngeal and vagal nerves , respectively (по Gilbert, 2003). Черепные плакоды, (Schlosser, 2005;2008; Schlosser, Northcutt, 2000) Паракринный фактор BMP • Действует по градиенту от эктодермы в сторону нейральной пластинки и инициирует закладку черепных плакод •Рост аксонов, иннервация • The functioning of the vertebrate nervous system depends not only on the differentiation and positioning of the neurons, but also on the specific connections these cells make among themselves and their peripheral targets • In some manner, nerves from a sensory organ such as the eye must connect to the specific neuron in the brain that can interpret visual stimuli, and axons from the central nervous system must cross large expanses of tissue before innervation of their target tissue. • How does the neuronal axon “know” how to transverse numerous potential target cells to make its specific connection? Правила миграции конуса роста аксона • 1. Выбор пути, результате которого аксоны перемещаются по маршруту, приводящему их в определенную область зародыша. • 2. Выбор мишени, в результате которого аксоны, достигшие нужной области, узнают набор клеток, с которыми могут образовать стабильные связи, и устанавливают их. • 3. Выбор адреса, в результате которого первоначальный паттерн уточняется, и каждый аксон связывается с небольшой группой вероятных мишеней (иногда только с одной из них). Research on the specificity of neuronal connection has focused on two major systems: motor neurons, whose axons travel form the spinal cord to specific muscle, and the optic system, wherein axons originating in the retina find their way back into the brain • Pathway selection, where axons travel along a route that leads them to a particular region of the embryo • Target selection, wherein the axons, once they reach the correct area, recognize and bind to a set of cells with which they may form stable connections. • Address selection, wherein the initial patterns are refined such that each axon binds to a small subset (sometimes only one) of its possible targets Нейрон окружен синаптическим белком (synapsin), окрашенным зелёным, который характерен для контактирующих с ним окончаний аксонов (Gilbert, 2003) . Организация двигательных нейронов в радиальных направлениях (левая и правая стороны) нервной трубки с помощью транскрипционных факторов семейства LIM (Gilbert, 2003). Организация двигательных нейронов в радиальных направлениях (левая и правая стороны) нервной трубки с помощью транскрипционных факторов семейства LIM (Gilbert, 2003). Поддержания точности иннервации при экспериментальной дислокации участков спинного мозга у куриного зародыша (Gilbert, 2003). Действие семафорина1 в ходе развития конечности кузнечика (Gilbert, 2003). (Gilbert, 2003). Избирательная миграция конусов роста аксонов (Gilbert, 2003) Рост аксонов комиссуральных нейронов внутри спинного мозга (Gilbert, 2003) Хемотактильные факторы направляют рост аксонов комиссуральных нейронов зародыша дрозофилы через срединную линию, но запрещают делать это аксонам других нейронов (Gilbert, 2003). Близко- и дальнодействующие факторы хемоаттракции и хеморепульсии направляют рост аксонов нейронов спинного мозга позвоночных (Gilbert, 2003). (Gilbert, 2003) Действие нейротофинов и их рецепторов (Gilbert, 2003). Рецепторы нейротрофинов с высокой и низкой афинностью Neurotrophins and their preferred receptors are shown with bold arrows. The dashed arrows indicate weak interactions. All neutrophins bind to p75. After Waartiovarra, “GDNF and p75 neurotrophin receptor in development sand disease” Summary of the experiments of Lumsden and Davies showing chemotaxis between mouse neural tissue (trigeminal ganglion) and its target (whisker pad). The chemoattraction is specific for (A) the target and (B) the epithelial cells of the target. Moreover, the chemotactic ability of the whisker pad is specific for the trigeminal neurons (Gilbert, 2003). Действие NGFи BDNF на ориентированный рост нейритов клеток некоторых ганглиев (Gilbert, 2003) The growth cones of neuron 19 turn away from serotonin-producing neuron 5 when the two Helisoma neurons are cultured together. When another two neurons (such as two neurons 19) are brought together, they attract one another. (From Kater, 1985) Обобщенная схема ориентированного роста нейритов в ходе эмбриогенеза центральной и периферийной нервной системы за счёт факторов хемоаттракции и хеморепульсии (Gilbert, 2003). •Образование синапсов (по Gilbert, 2003). Быстрое образование функциональных синаптических контактов между аксонами двигательных нейронов и мышечными клетками Аксоны индуцируют скопление ацетилхолиновых рецепторов в участках их контакта с мышечными клетками Agrin – большой гепаран-сульфатный протеогликан, изоформы которого запускают постсинаптичекую дифференцировку клеток-мишеней иннервации. MuSK - muscle-specific receptor tyrosine kinase, rapsin –a protein thought to mediate interactions among Ach receptors, MuSK, dystroglycans, and members of Src-family of cytoplasmic tyrosine kinases (Gilbert, 2003). Мультинейрональная иннервация мишеней и её коррекция до мононейральной иннервации Избирательное накопление постсинаптических рецепторов в синапсах Конкурирующие способности (в зависимости от активности) в образовании синапсов различными отростками одного и того же аксона двигательного нейрона Действие фактора роста нервов (NGF) на нейроны сенсорного ганглия зародыша позвоночного (Gilbert, 2003). Заключение • Двигательные нейроны специфицируются в соответствии с их позицией в нервной трубке. Семейство транскрипционных факторов LIM играет важную роль в этой спецификации. • Мишени двигательных нейронов специфицируются до того, как аксоны этих нейронов начинают отрастать на периферию. • Конус роста аксона – локомоторный орган нейрона и он реагирует на внешние факторы, фактически определяющие направление и возможности его роста. • Аксоны могут достигать своих мишеней (осуществлять иннервацию) без учёта собственно нейрональной актвиности. • Конусы роста узнают специфические молекулы, попадающиеся на пути их роста, которые направляют движение конусов роста к местам их назначения (иннервации). Заключение (продолжение) • Одни белки являются аттрактантами конусов роста аксонов, другие - репеллентами. • Избирательная иннервация может быть обеспечена нейротрофинами, продуцируемыми клетками тканей, мишеней иннервации. Нейротрофины избирательно стимулируют рост аксонов только специфичных нейронов, иннервирующих эти клетки. В случае их дефицита, в нейронах, аксоны которых подвергаются действию этих нейротрофинов, развивается апоптоз. • Активный нейрон может подавлять образование синапсов другими нейронами по соседству со своим синапсом. • Поведение некоторых нейронов может быть врождённым («запрограммированным»), тогда как у других наблюдается что-то, сходное с процессом обучения. Практика может усиливать формирование нейронных цепочек.
