stringtranslate.com

нейруляция

Нейруляция относится к процессу складывания у эмбрионов позвоночных , который включает трансформацию нервной пластинки в нервную трубку . [1] Эмбрион на этой стадии называется нейрулой .

Процесс начинается, когда хорда индуцирует формирование центральной нервной системы (ЦНС), посылая сигнал зародышевому слою эктодермы над ней о формировании толстой и плоской нервной пластинки . Нервная пластинка складывается сама по себе, образуя нервную трубку , которая позже дифференцируется в спинной и головной мозг , образуя в конечном итоге центральную нервную систему. [2] Компьютерное моделирование показало, что заклинивание клеток и дифференциальная пролиферация достаточны для нейруляции млекопитающих. [3]

Различные части нервной трубки у разных видов формируются в результате двух разных процессов, называемых первичной и вторичной нейруляцией. [4]

Первичная нейруляция

Поперечный срез эмбриона позвоночного на стадии нейрулы.
Описание процесса нейруляции в трех измерениях.

Первичная нейронная индукция

Концепция индукции возникла в работе Пандора в 1817 году. [5] Первые эксперименты, подтверждающие индукцию, были приписаны Виктором Гамбургером [6] независимым открытиям Ганса Спеманна из Германии в 1901 году [7] и Уоррена Льюиса из США в 1904 году. [8] Именно Ганс Спеманн первым популяризировал термин «первичная нервная индукция» в отношении первой дифференцировки эктодермы в нервную ткань во время нейруляции . [9] [10] Его назвали «первичным», потому что считалось, что это первое событие индукции в эмбриогенезе. Эксперимент, получивший Нобелевскую премию, провела его ученица Хильда Мангольд . [9] Эктодерму из области дорсальной губы бластопора развивающегося эмбриона саламандры трансплантировали в другой эмбрион, и эта ткань-организатор «индуцировала» формирование полноценной вторичной оси, изменяя окружающую ткань в исходном эмбрионе с эктодермальной на нервная ткань. Поэтому ткань донорского эмбриона называли индуктором, поскольку она вызывала изменения. [9] Важно отметить, что хотя организатором является дорсальная губа бластопора, это не один набор клеток, а скорее постоянно меняющаяся группа клеток, которые мигрируют по дорсальной губе бластопора, образуя апикально суженные бутылочные клетки. В любой момент времени во время гаструляции органайзер образуют разные клетки. [11]

Последующие работы над индукторами, проведенные учеными в 20-м веке, показали, что не только спинная губа бластопора может действовать как индуктор, но и огромное количество других, казалось бы, не связанных друг с другом элементов. Это началось с того, что Йоханнес Хольтфретер обнаружил, что вареная эктодерма все еще способна индуцировать . [12] Такие разнообразные факторы, как низкий уровень pH, циклический АМФ и даже напольная пыль, могут действовать как индукторы, приводящие к значительному испугу. [13] Даже ткань, которая не могла индуцироваться при жизни, могла индуцироваться при кипячении. [14] Другие предметы, такие как сало, воск, банановая кожура и свернувшаяся лягушачья кровь, не вызывают воздействия. [15] Охотой за химически обоснованной молекулой-индуктором занялись молекулярные биологи, занимающиеся вопросами развития, и обширная литература, посвященная объектам, обладающим индукторными способностями, продолжала расти. [16] [17] Совсем недавно молекулу-индуктор стали приписывать генам, а в 1995 году прозвучал призыв каталогизировать все гены, участвующие в первичной нейронной индукции, и все их взаимодействия, чтобы определить «молекулярную природу молекулы Спемана». организатор». [18] Некоторые другие белки и факторы роста также использовались в качестве индукторов, включая растворимые факторы роста , такие как костный морфогенетический белок , и потребность в «ингибирующих сигналах», таких как ноггин и фоллистатин .

Еще до популяризации термина «индукция» несколько авторов, начиная с Ганса Дриша в 1894 году, [19] предположили, что первичная нейронная индукция может иметь механическую природу. Механохимическая модель первичной нейронной индукции была предложена в 1985 году Г. В. Бродландом и Р. Гордоном . [20] Было показано, что реальная физическая волна сокращения возникает из-за точного местоположения организатора Спемана, который затем пересекает презумптивный нервный эпителий [21] и полная рабочая модель того, как первичная нейронная индукция была предложена в 2006 году. [22] [23] Долгое время в этой области существовало общее нежелание рассматривать возможность того, что первичная нейронная индукция может быть инициирована механическими эффектами. [24] Полное объяснение первичной нейронной индукции еще предстоит найти.

Изменение формы

По мере продолжения нейруляции после индукции клетки нервной пластинки становятся высокостолбчатыми и могут быть идентифицированы с помощью микроскопии как отличающиеся от окружающей презумптивной эпителиальной эктодермы ( эпибластической энтодермы у амниот). Клетки движутся латерально и в сторону от центральной оси и принимают форму усеченной пирамиды. Эта форма пирамиды достигается за счет тубулина и актина в апикальной части клетки, которые сжимаются при движении. Изменение формы клеток частично определяется расположением ядра внутри клетки, что приводит к выпучиванию участков клетки, вызывая изменение высоты и формы клетки. Этот процесс известен как апикальное сужение . [25] [26] Результатом является уплощение дифференцирующейся нервной пластинки, что особенно заметно у саламандр, когда ранее круглая гаструла становится округлым шаром с плоской вершиной. [27] См. Нервную пластинку.

Складной

Процесс сворачивания плоской нервной пластинки в цилиндрическую нервную трубку называется первичной нейруляцией . В результате изменения формы клеток нервная пластинка образует медиальную шарнирную точку (МПТ). Расширяющийся эпидермис оказывает давление на MHP и заставляет нервную пластинку сгибаться, что приводит к образованию нервных складок и образованию нервной борозды . Нервные складки образуют дорсолатеральные шарнирные точки (DLHP), и давление на этот шарнир заставляет нервные складки встречаться и сливаться по средней линии. Слияние требует регуляции молекул клеточной адгезии. Нервная пластинка переключается с экспрессии E-кадгерина на экспрессию N-кадгерина и N-CAM, чтобы распознать друг друга как одну и ту же ткань и закрыть трубку. Это изменение экспрессии останавливает связывание нервной трубки с эпидермисом.

Хорда играет важную роль в развитии нервной трубки. До нейруляции, во время миграции клеток эпибластической энтодермы к гипобластической энтодерме, нотохордальный отросток открывается в дугу, называемую нотохордальной пластинкой , и прикрепляет вышележащий нейроэпителий нервной пластинки. Затем нотохордальная пластинка служит якорем для нервной пластинки и толкает два края пластинки вверх, сохраняя при этом среднюю часть закрепленной. Некоторые из нотоходральных клеток включаются в центральную часть нервной пластинки, чтобы позже сформировать пластинку дна нервной трубки. Пластинка хорды отделяется и образует твердую хорду. [4]

Складывание нервной трубки в настоящую трубку не происходит сразу. Вместо этого он начинается примерно на уровне четвертого сомита на 9-й стадии Карнеги (около 20-го дня эмбрионального развития у человека ). Латеральные края нервной пластинки соприкасаются по средней линии и соединяются. Это продолжается как краниально (по направлению к голове), так и каудально (по направлению к хвосту). Отверстия, образующиеся в краниальной и каудальной областях, называются краниальными и каудальными нейропорами . У эмбрионов человека краниальный нейропор закрывается примерно на 24-й день, а каудальный нейропор - на 28-й день. [28] Нарушение закрытия краниального (верхнего) и каудального (нижнего) нейропора приводит к состояниям, называемым анэнцефалией и расщелиной позвоночника соответственно. Кроме того, нарушение закрытия нервной трубки по всей длине тела приводит к состоянию, называемому рахишизисом . [29]

Узоры

Поперечный разрез нервной трубки, показывающий нижнюю и крышную пластины.

Согласно модели French Flag , где стадии развития управляются градиентами продуктов генов, некоторые гены считаются важными для индукции паттернов в открытой нервной пластинке, особенно для развития нейрогенных плакод . Эти плакоды впервые обнаруживаются гистологически в открытой нервной пластинке. После того, как передача сигнала sonic hedgehog (SHH) из хорды индуцирует его формирование, пластинка дна зарождающейся нервной трубки также секретирует SHH. После закрытия нервная трубка образует базальную или нижнюю пластинку и крышу или крыловую пластинку в ответ на комбинированные эффекты SHH и факторов, включая BMP4 , секретируемых верхней пластинкой. Базальная пластинка образует большую часть вентральной части нервной системы, включая двигательную часть спинного мозга и ствола головного мозга; Крылья пластинка образует дорсальную часть, предназначенную в основном для сенсорной обработки. [30]

Дорсальный эпидермис экспрессирует BMP4 и BMP7 . Верхняя пластинка нервной трубки реагирует на эти сигналы, экспрессируя больше сигналов BMP4 и других трансформирующих факторов роста бета (TGF-β), образуя дорсальный/вентральный градиент среди нервной трубки. Хорда выражает SHH. Пластина пола реагирует на SHH, производя собственный SHH и образуя градиент. Эти градиенты позволяют дифференциальную экспрессию факторов транскрипции. [30]

Сложности модели

Закрытие нервной трубки до конца не изучено. Закрытие нервной трубки зависит от вида. У млекопитающих закрытие происходит путем встречи в нескольких точках, которые затем закрываются вверх и вниз. У птиц закрытие нервной трубки начинается в одной точке среднего мозга и продвигается вперед и назад. [31] [32]

Вторичная нейруляция

Первичная нейруляция развивается во вторичную нейруляцию, когда каудальный нейропор подвергается окончательному закрытию. Полость спинного мозга переходит в нервный мозг. [33] При вторичной нейруляции нейральная эктодерма и некоторые клетки энтодермы образуют мозговой тяж . Медуллярный тяж уплотняется, разделяется и затем образует полости. [34] Эти полости затем сливаются, образуя единую трубку. Вторичная нейруляция встречается в заднем отделе большинства животных, но лучше выражена у птиц. Трубочки как первичной, так и вторичной нейруляции в конечном итоге соединяются примерно на шестой неделе развития. [35]

У человека механизмы вторичной нейруляции играют важную роль, поскольку они влияют на правильное формирование заднего отдела спинного мозга человека. Ошибки на любом этапе процесса могут привести к проблемам. Например, сохранение медуллярного тяжа происходит из-за частичной или полной остановки вторичной нейруляции, в результате чего на рудиментарном конце образуется нефункциональная часть. [36]

Раннее развитие мозга

Передняя часть нервной трубки образует три основные части головного мозга: передний мозг ( prosencephalon ), средний мозг ( mesencephalon ) и задний мозг ( ромбенцефалон ). [37] Эти структуры первоначально появляются сразу после закрытия нервной трубки в виде выпуклостей, называемых мозговыми пузырьками , по образцу, определяемому генами формирования передне-заднего паттерна, включая гены Hox , другими факторами транскрипции, такими как гены Emx, Otx и Pax, а также секретируемыми сигнальными факторами, такими как как факторы роста фибробластов (FGF) и Wnts . [38] Эти мозговые везикулы далее делятся на субрегионы. Прозэнцефалон дает начало телэнцефалону и промежуточному мозгу , а ромбэнцефалон порождает метэнцефалон и промежуточный мозг . Задний мозг, который является эволюционно самой древней частью мозга хордовых , также делится на различные сегменты, называемые ромбомерами . Ромбомеры генерируют множество наиболее важных нервных цепей, необходимых для жизни, в том числе те, которые контролируют дыхание и частоту сердечных сокращений, а также производят большую часть черепных нервов . [37] Клетки нервного гребня образуют ганглии над каждым ромбомером. Ранняя нервная трубка в основном состоит из зародышевого нейроэпителия , позже названного желудочковой зоной , который содержит первичные нервные стволовые клетки , называемые радиальными глиальными клетками , и служит основным источником нейронов , образующихся во время развития мозга в процессе нейрогенеза . [39] [40]

Ненейральная ткань эктодермы

Параксиальная мезодерма, окружающая хорду по бокам, разовьется в сомиты (будущие мышцы, кости и способствует формированию конечностей позвоночных ) . [41]

Клетки нервного гребня

Массы ткани, называемые нервным гребнем , которые расположены на самых краях боковых пластинок складчатой ​​нервной трубки, отделяются от нервной трубки и мигрируют, образуя множество различных, но важных клеток. [ нужна цитата ]

Клетки нервного гребня будут мигрировать через эмбрион и давать начало нескольким популяциям клеток, включая пигментные клетки и клетки периферической нервной системы. [ нужна цитата ]

Дефекты нервной трубки

Нарушение нейруляции, особенно нарушение закрытия нервной трубки, являются одними из наиболее распространенных и инвалидизирующих врожденных дефектов у человека, встречаясь примерно у 1 из каждых 500 живорождений. [42] Неспособность рострального конца нервной трубки закрыться приводит к анэнцефалии или отсутствию развития мозга и чаще всего приводит к летальному исходу. [43] Неспособность каудального конца нервной трубки закрыться вызывает состояние, известное как расщелина позвоночника , при котором спинной мозг не закрывается. [44]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ларсен В.Дж. Эмбриология человека. Третье изд. 2001.P 86. ISBN  0-443-06583-7.
  2. ^ «Глава 14. Гаструляция и нейруляция». biology.kenyon.edu . Проверено 2 февраля 2016 г.
  3. ^ Нильсен, Бьярке Фрост; Ниссен, Сайлас Бойе; Снеппен, Ким; Матисен, Иоахим; Трусина Аля (21 февраля 2020 г.). «Модель, связывающая форму и полярность клеток с органогенезом». iScience . 23 (2): 100830. Бибкод : 2020iSci...23j0830N. дои : 10.1016/j.isci.2020.100830 . ПМК 6994644 . ПМИД  31986479. 
  4. ^ аб Вулперт, Льюис; Пощекочи, Шерил; Ариас, Альфонсо Мартинес (2015). Принципы развития (Пятое изд.). Оксфорд, Соединенное Королевство: Издательство Оксфордского университета. п. 393. ИСБН 9780198709886.
  5. ^ Тидеманн, Х. Химический подход к индуцирующим агентам. В: О. Накамура и С. Тойвонен (ред.), Организатор – веха полувека от Спеманна, Амстердам: Elsevier/North Holland Biomedical Press, стр. 91- 117. 1978.
  6. ^ Гамбургер, В.. Наследие экспериментальной эмбриологии: Ганс Спеманн и организатор. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. 1988 год
  7. ^ Спеманн, Х. Über Korrelationen in der Entwicklung des Auges/О корреляциях в развитии глаза. Верх. анат. Гес. Йена 15, 61–79. 1901 год
  8. ^ Льюис, WH Экспериментальные исследования развития глаза у амфибий. I. О происхождении хрусталика у Rana palustris. амер. Дж. Анат. 3, 505–536. 1904 год
  9. ^ abc Спеманн, Х. и Х. Мангольд, Über Induktion von Embryonalanlagen durch Implantation artfremder Organisatoren / Об индукции закладки эмбриона путем имплантации организаторов других видов. Архивный микроскоп. Анат. Entwicklungsmech. 100, 599–638 1924 г.
  10. ^ Спеманн, Х. и Х. Мангольд 1924: Индукция эмбриональных зачатков путем имплантации организаторов от другого вида. В: BH Willier & JM Oppenheimer (ред.), Foundations of Experimental Embryology (переведено изд. 1964 г.), Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, p. 144-184
  11. ^ Гордон, Р., Н.К. Бьорклунд и П.Д. Ньюкооп. Диалог об эмбриональных волнах индукции и дифференцировки. Межд. Преподобный Цитол. 150, 373–420. 1994 г.
  12. ^ Хольтфретер, Дж. Eigenschaften und Verbreitung induzierender Stoffe / Характеристики и распространение индуцирующих веществ. Naturwissenschaften 21, 766-770. 1933 год
  13. ^ Твитти, ВК, Об ученых и саламандрах Фриман, Сан-Франциско, Калифорния, 1966 г.
  14. ^ Спеманн, Х., Ф.Г. Фишер и Э. Вемейер Fortgesetzte Versuche zur Analyse der Induktionsmittel in der Embryonalentwicklung/Продолжение попыток анализа причин индукции в эмбриональном развитии. Natuwissenschaften 21, 505–506. 1933 год
  15. ^ Вайс, Пенсильвания. Так называемый организатор и проблема организации развития земноводных. Физиол. Откр. 15(4), 639-674. 1935 год
  16. ^ Де Робертис, Э.М., М. Блюм, К. Ньерс и Х. Штайнбейссер, гусекоид и организатор. Развитие (Приложение), 167-171. 1992 год
  17. ^ Хан, М. и Х. Джекль Гусекоид дрозофилы участвует в развитии нервной системы, но не в формировании оси тела. ЭМБО Дж. 15(12), 3077-3084. 1996 год
  18. ^ Де Робертис, Э.М. Демонтаж органайзера. Природа 374(6521), 407-408. 1995 год
  19. ^ Дриш, ХАЕ. Analytische Theorie der Organischen Entwicklung/Аналитическая теория органического развития. Лейпциг: Верлаг фон Вильгельм Энгельман. 1984 г.
  20. ^ Гордон, Р. Бродланд, GW. Цитоскелетная механика морфогенеза головного мозга: расщепители состояний клеток вызывают первичную нервную индукцию. Гелл Биофиз. 11: 177-238. (1987)
  21. ^ Бродланд, Г.В.» Гордон, Р., Скотт М.Дж., Бьорклунд Н.К., Лучка К.Б., Мартин, К.С., Матуга, К., Глобус, М., Ветамани-Глобус С. и Шу, Д. Волна сокращения поверхности бороздок, совпадающая с первичной нейронной волной индукция у эмбрионов амфибий. Дж Морфол. 219: 131-142. 1994 г.
  22. ^ Гордон, Н.К., Гордон Р. Органелла дифференцировки эмбрионов: расщепитель клеточного состояния Theor Biol Med Model (2016) 13: 11. https://doi.org/10.1186/s12976-016-0037-2
  23. ^ Бьёрклунд, Н.К., Гордон, Р.А. Гипотеза, связывающая низкое потребление фолиевой кислоты с дефектами нервной трубки из-за нарушения посттрансляционного метилирования цитоскелета. Международный журнал биологии развития 50 (2-3), 135-141.
  24. ^ Иерархический геном и волны дифференциации. Серия по математической биологии и медицине. Том. 3. Всемирная научная издательская компания. 1999. дои : 10.1142/2755. ISBN 978-981-02-2268-0.
  25. ^ Бернсайд. М.Б. Микрорубулы и микрофиламенты в нейруляции амфибий. Алий. Зоол. 13, 989-1006 1973 г.
  26. ^ Джейкобсон, АГ и Р. Гордон. Изменения формы развивающейся нервной системы позвоночных анализируются экспериментально, математически и с помощью компьютерного моделирования. Дж. Эксп. Зоол. 197, 191–246. 1973 год
  27. ^ Бордзиловская, Н.П., Т.А. Детлафф, С.Т. Духон и Г.М. Малачински (1989). Серия эмбрионов аксолотля на стадии развития [Ошибка: Таблица стадий 19-1 предназначена для 20°C, а не 29°C]. В: Дж. Б. Армстронг и Г. М. Малачински (ред.), Биология развития аксолотля, Нью-Йорк: Oxford University Press, стр. 201-219.
  28. ^ Неврологическая хирургия Юмана, Х. Ричард Винн, 6-е изд. Том 1, стр. 81, 2011 г. Эльзевир Сондерс, Филадельфия, Пенсильвания.
  29. ^ Гилберт, Сан-Франциско (2000). «12: Формирование нервной трубки». Биология развития (6-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-243-6. Проверено 30 ноября 2011 г.
  30. ^ аб Гилберт, Сан-Франциско (2013). «10: Возникновение эктодермы». Биология развития (10-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-978-7. Проверено 22 марта 2015 г.
  31. ^ Голден Дж. А., Чернов Г. Ф. Прерывистый характер закрытия нервной трубки у двух линий мышей. Тератология. 1993;47:73–80.
  32. ^ Ван Аллен М.И., 15 других. Доказательства множественного закрытия нервной трубки у человека. Являюсь. Дж. Мед. Жене. 1993;47:723–743.
  33. ^ Шепард, Томас Х. (1989). «Стадии развития человеческих эмбрионов. Р. О'Рахили и Ф. Мюллер (редакторы), Институт Карнеги в Вашингтоне, Вашингтон, округ Колумбия, 1987, 306 стр., 52 доллара». Тератология . 40:85 . дои :10.1002/тера.1420400111.
  34. ^ Формирование книжной полки NCBI по биологии развития нервной трубки
  35. ^ Симокита, Э; Такахаши, Ю. (апрель 2011 г.). «Вторичная нейруляция: картирование судьбы и манипуляции с генами нервной трубки хвостовой зачатки». Развитие, рост и дифференциация . 53 (3): 401–10. дои : 10.1111/j.1440-169X.2011.01260.x . ПМИД  21492152.
  36. ^ Панг, Дахлинг; Зовикян, Джон (2011). «Сохраненный мозговой канатик у человека: поздняя остановка вторичной нейруляции»». Нейрохирургия . 68 (6): 1500–19. дои : 10.1227/NEU.0b013e31820ee282. PMID  21336222. S2CID  25638763 . Проверено 19 ноября 2020 г.
  37. ^ аб Гилберт, Скотт Ф.; Колледж, Суортмор; Хельсинкский университет (2014). Биология развития (Десятое изд.). Сандерленд, Массачусетс: Синауэр. ISBN 978-0878939787.
  38. ^ Эрик Р. Кандел, изд. (2006). Принципы нейронауки (5-е изд.). Эпплтон и Ланге: МакГроу Хилл. ISBN 978-0071390118.
  39. ^ Ракич, П. (октябрь 2009 г.). «Эволюция неокортекса: взгляд на биологию развития». Обзоры природы. Нейронаука . 10 (10): 724–35. дои : 10.1038/nrn2719. ПМЦ 2913577 . ПМИД  19763105. 
  40. ^ Дехей, К; Кеннеди, Х. (июнь 2007 г.). «Контроль клеточного цикла и развитие коры». Обзоры природы. Нейронаука . 8 (6): 438–50. дои : 10.1038/nrn2097. PMID  17514197. S2CID  1851646.
  41. ^ Параксиальная мезодерма: сомиты и их производные. Книжная полка NCBI, Биология развития, 6-е издание. По состоянию на 29 ноября 2017 г.
  42. ^ Дейли, Даррел. Формирование нервной системы. Архивировано 3 января 2008 г. в Wayback Machine . Последний доступ: 29 октября 2007 г.
  43. ^ Справочник, Дом генетики. «Анэнцефалия». Домашний справочник по генетике . Проверено 02 марта 2020 г.
  44. ^ CDC (31 августа 2018 г.). «Факты о расщелине позвоночника | CDC». Центры по контролю и профилактике заболеваний . Проверено 02 марта 2020 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки