Vývoj NS je formován procesy determinace, diferenciace a indukce

• Determinace - dána procesem genové exprese

• Míra determinace různá u různých živočichů

• Vývoj determinovaný (všichni bezobratlí)

• Nederminovaný (chordata vč. obratlovců)

Determinovaný vývoj

• Už ve fázi zygoty jsou jednotlivé bb embrya předurčeny ve svém vývoji

• Osud buněk je určován genetickými faktory

• Malá míra flexibility

Vývoj nedeterminovaný

• Předurčenost buňky k určitému vývoji (daná genomem) je významná, ale

• Vývoj je ovlivňován vnějšími faktory– (chemický gradient, chemické látky

uvolňované sousedními bb, specifickými naváděcími bb, růstovými faktory, elektrickým gradientem embrya atd.)

• Osud buňky

• je výsledkem indukce a ne automatickým spuštěním genetického programu,

• odstranění jedné nebo více bb nemá fatální vliv na osud embrya

• NS se vyvíjí z ektodermu• Indukcí mezodermem• Začíná vytvořením

– Spermanova organizátoru – amphibia

– Hensenovy zóny – ptáci, savci

– Produkce růstových faktorů (difusibilní proteiny)

– indukují neurální diferenciaci a tvorbu

• nervové rýhy a nervové ploténky, neurální trubice

Neurulace

• Buňky z okrajů neurální rýhy se oddělují a tvoří neurální lištu

• Buňky z rýhy migrují na periferii – periferní orgány – dorzální ganglia a– ganglia autonomních nervů

• Ventrálně vzniká chorda

• Anteriorně – diferenciace – základy mozku

Produkce neuronů a glií

• Zpočátku je N trubice jednovrstevná, později vícevrstevná

• Dělení probíhá v germinální zóně (vnitřní strana)• Během bb dělení jádra složitě migrují

– DNA syntéza probíhá na vnějším okraji,– Dělení na vnitřním

• Během migrace jsou jádra ovlivňována různými cytoplasmatickými faktory

• Po několika cyklech dceřinné buňky nejsou schopny dalšího dělení a opouštějí germinální zónu

Migrace

• Dceřinné bb migrují

• Neurony se dále nedělí – bb postmitotické

• Glie se mohou dělit

• N trubice se stává 3 vrstevnou– Ventrikulární zóna – proliferační– Šedá hmota – vrstva neuronální prekursorů a

migrujících neuronů– Bílá hmota – vrstva neuronálních výběžků

Centrální kanál

Vnější strana Migrující prekurzoryamitotické neurony

a glie

ventrikulární střední okrajová zóna

Neuroektoderm

Produkce neuronálních a gliových prekurzorů

S

M

Centrálníkanál

Pleny

Ventrikulární

StředníŠedá hmota

MarginálníBílá hmota

Migrující neurony

Mícha

Migrace neuronů v CNS

Migrace v mozkové části

• 3 vrstevná stra přetrvává v oblasti míchy a prodloužené míchy

• V mozkové a mozečkové části neurony migrují periferně a tvoří kortikální ploténky

• Neurony migrují podél radiálních gliových buněk

Komora

Migrující neuronyRadiální gliové buňky

VZ

Budoucí bíláhmota

Korová ploténka

Purkyň. bb

Granul.bb MZ

Mozeček

Migrace neuronů v CNS

Mozek

Migrující neurony

Komora

VZ MZ

Bílá hmota

Korová ploténkaStřední vrstva

Migrace neuronů v CNS

Radiální gliové buňky

• Udržují kontakt s vnitřní a vnější stranou NT po celou dobu vývoje

• Na migraci neuronů se podílí neznámé transportní bílkoviny

• Po ukončení migrace neuronů zanikají

Migrace buněk neurální lišty

• Bez pomoci glivých buněk• Migrace řízena atraktivními a

repulsivními interakcemi – s buněčnými povrchy a – komponentami extracelulárního prostoru

(adhesivní faktory)

• V průběhu migrace se neurony dostávají do různých oblastí - indukce

Epidermis

Neurální trubice

Dermatomy

Sklerotomy

Chorda

F-spondinAnteriorní sklerotomLaminin, fibronektin

PosteriorníSklerotom

Anteriorně

Posteriorně

Migrace buněk neurální lištyDR, autonomní ganglia, Schwann.bb,

adrenergní chromafinní bb.

Ektoderm

Somit

Chorda

Aorta

Střevo

Tělní dutinaNadledvinky

Sympatickáganglia

Smyslová ganglia

Naurální trubice

Neurální lišta

Neurony se po migraci dále nedělí

• Výjimky tvoří –

• Interneurony bazálních ganglií

• Granulární bb mozkové kůry

• Primární aferentní neurony – čichové

• Postgangliové neurony autonomního Ns

• Bb nadledvinek, které tvoří A a NA

Mechanismus indukce – vyjádření genotypu

• U dospělého jedince jsou různé oblasti NS fenotypově odlišné

• Fenotyp je determinován selektivní expresí genů

• Během vývoje dochází různými mechanismy indukce k

• Hierarchicky regulované expresi transkripčních faktorů

Enterickáparasympatickáganglie Sympatická

Ganglia aadrenergnídřeň

ForebrainMidbrain

Hindbrain

Některé geny kontrolují rozhodnutí o tvorbě tělních částí - rhombomer

• V každém segmentu se neuronální bb diferencují ve stejném rytmu

• Proces diferenciace je specificky modifikován

• Hox geny – determinují osud neuronů v každém segmentu

• Vybírají k expresi ty geny, které jsou třeba v daném segmentu

Geny aktivované během ranného vývoje NS

• Hox geny - osud segmentů• Transkripční faktory (Kreisler, Krox-20)• Receptor tyrosin kináza (Sek-1, Sek-

4,transmembránový protein, ligand = Elf-2)

Hox – homeotické geny

• Nalezeny u Drosophily (mutace - tykadlo místo nohy)

• Geny zodpovědné za vznik určité struktury• Kontrolují podřízené geny a transkripční faktory• Exprese hox genů řízena kyselinou retinovou ze

Spermanova organizátoru• Systematicky organizovaná citlivost receptorů

Křepelčí embryo Kuřecí embryo

Anterio-posteriorní gradient

Kyselina retinová

Hox geny – homeotické regulační geny – kyselina retinová (reaguje s receptory v jádrech cílových buněk)Hierarchicky regulovaná exprese transkripčních faktorů

NS obratlovců také diferencován ve směru dorso-ventrálním

• Indukční signály produkované chordou – Produkt „sonic headgehog“ genu – difusibilní protein– kontroluje hox geny

• Později proužkem specializovaných gliových buněk bazální ploténky na ventrální straně míchy

Anterior Posterior Dorzálně

VentrálněChorda

Dorzo-ventrální gradient

Difuzibilní proteinProdukovanýHeadgehog genem

Bazální ploténka

Anterioposteriorní a dorsomediální gradienty kontrolují transkripční faktoy a determinují regionální

identitu CNS

Buněčné linie – vztah mezi narozením neuronů a jejich osudem

• U obratlovců je obtížné sledovat buněčné linie• Techniky vnesení markeru (fluorescenčně

označený virus) do prekurzorové bb a sledování výskytu v hotovém NS

• Vnesení markeru – do retiny nově narozené krysy – označené byly neurony

i glie

– Do kůry – klony s virem byly jenom buď v gliích nebo neuronech – diferenciace probíhá dříve

Retina

Epitel

Čočka

4-6 týdnů

Injekce retroviru kódující galaktosidázudo prekurzorové buňky

Buněčné linie v savčím CNS

Existuje závislost mezi vznikem neuronů a jejich uspořádáním v kůře

• Injekce radioaktivního thymidinu do dělících se buněk kůry

• Nejhlouběji jsou ty, co se dřív narodily

Počet buněk v jednotlivých vrstvách kůry po injekci 3H tymidinu

0 60 0 60

0 60 0 60 0 60 0 60

1

2+3

4

5

6

Bílá hmota

E30 E33 E39 E42 E48 E56

Zapojení neuronů v jednotlivých vrstvách kůry je ovlivňováno

lokálními faktory

• Transplantace neuronů vyvíjející se zrakové kůry do oblasti somatosensorické vedla k indukci neuronálních fenotypů typických pro somatosensorickou kůru i s propojením neuronů

Korová ploténka

Vnitřní zóna

Ventrikulárnízóna

VZ

Bílá hmota

1

2

3

4

5

6

Laminární determinace v kůře

E29

Laminární determinace v kůře

Korová ploténka

Vnitřní zóna

Ventrikulárnízóna

VZ

Bílá hmota

1

2

3

4

5

6

P1

V dospělém NS může být vývoj pod humorální kontrolou

• Pěvci – kanáři• Samci „high vocal center nucleus“• Zde probíhá turnover neuronů v závislosti

na hladině testosteronu– Zvýšení hladiny 2x ročně, jaro, podzim– Po poklesu kontrolovaný zánik neuronů

• Samice toto centrum nemají, ale po injekci testosteronu je indukováno

Hormonální regulace vývoje NS

Nadřazené vokální centrum

„Robust“jádro varchistiatu

Hlasivky

Nové neurony v dospělém mozku-asimilace do složité architektury - substrát pro remodelování chování

Kmenové buňky

• High vocal centrum ptáků• Hipokampus• Čichový lalok savců

– z kmenových buněk vnitřní vrstvy laterálních komor – rychle se dělí a dceřinné bb migrují do čichového epitelu a zabudovávají se do stávajících neuronálních okruhů

• Možnost diferenciace do – Neuronů– Oligodendrocytů– Astrocytů

Kontrola fenotypu v periferním NS

• Kuřecí a křepelčí zárodky

• Pozice v neurální liště předurčuje typ periferního NS a typ vznikajícího zapojení

• I na expresi genů periferního NS mají vliv regionální faktory

Křepelčí embryo Kuřecí embryo

Fenotyp v periferním NS

Křepelčí embryo Kuřecí embryo

Výběr mediátoru cílovou tkání

• Některé buňky během vývoje syntetizují jiný mediátor než v dospělém zapojení

• Změna metabolismu je indukována látkami cílové tkáně– Potní žlázy, sympatické neurony,

norepinephrine – Ach

Hladká svalovina žlaz indukuje

• Cholinergní diferenciaci sympatických neuronů

• LIF (leukemia inhibitory faktor)

• Ciliary neurotrophic factor

• Cardiotropin – 1

• Aktivace Ach syntézy v sympatických neuronech

Růst neuronálních výběžků

• Na růstovém vrcholu

• Amoeboidní pohyb – lamelipodia a filopodia– Přichycují se k substrátu a orientují růstový

vrchol– Obsahují vlákna aktinu– Filopodia „chutnají“ prostředí a odpovídají na

chemické stimuly• Short range stimuly na stěnách sousedních bb

• Long-range stimuly – v ect – přitahují či odpuzují

Růst axonů

Aktinová vlákna přichycená k podkladu

Mikrotubulus

Mikrotubulus

Aktinová filamenta

Aktinová filamentaMyosin

Myosin posouvá mikrotubuly

Filopodia v klidu

Vysouvání filopodií

Aktinovémonomery

Aktinovápolymerizace

Myosin zasouvá mikrotubuly

Myosin

ATP, Actin-binding-proteinCa, proteinkináza

Naváděcí signály – extracelulární adhesní proteiny

• Short range• Na membrány vázané adhesní molekuly

– Imunoglobulinové molekuly

– Např. populární glykoprotein axonálního povrchu TAG1 (Transiently expressed Axonal surface Glykoprotein)

• Pomáhá řízenému prorůstání neuronů v míše a způsobuje u jistých axonů změnu směru růstu

– Některé působí prostřednictvím specifických receptorů, jiné spojují podobné struktury na sousedních bb

Adheze často závisí na Ca++

• Např. N cadherin – spojení buněk v ect tekutině, plasmě, krvi

• V tkáňových kulturách stimulují adhezi neuronů k podkladu, navzájem a stimulují růst výběžků

• A adhezi výběžků do primitivních nervů

Adhezní extracelulární glykoproteiny

• Laminin, fibronektin, tenascin, trombospondin

• Spolupracují s imunoglobuliny• Specifické kombinace zajistí, že ve

vyvíjejícím se embryu určitá skupina vysílá výběžky do patřičné oblasti

• Adhezivní interakce působí na malou vzdálenost – 1 mm

Adhezivní molekuly

• Buněčné membrány– Transmembránové proteiny nebo asociované

glykoproteiny, extracelulární část podobná imunoglobulinům

– N-CAM (neural cell adhesion molecule)– CAM (Ng-CAM, glial cell adhesion molecule)– TAG-1, MAG, DCC

• Homofilické vazby• Heterofilické

– N-CADHERIN (Ca-dependentní buněčná adheze)

Adhezivní molekuly

• Extracelulární matrix– LAMININ,

– FIBRONECTIN

– TENASCIN

– CYTOTAXIN

Hmyzí NS má své dispečery

• Fascikliny – vyvíjející se nervové pásce určují směr a dávají příkazy

• „shlukujte se“• „nerozcházejte se!• Pionýrské neurony na větší vzdálenosti• Některé smyslové neurony diferencují dřív• hledají dráhu do příslušných oblastí a slouží jako

orientační základna pro později narozené druhy

Navádění axonů na větší vzdálenosti

• Naváděcí buňky

• Označují přechodné cíle

• Většinou nezralé neurony

• Přechodné synaptické kontakty

• Po splnění úkolu zanikají

Růst axonů

Chemoorientace

• Axon se může orientovat v závislosti na cílové tkáni i nezávisle

• Axony spinálních motoneuronů se orientují na periferii prostřednictvím interakce různých faktorů

• Adhezní proteiny – krátké vzdálenosti• Delší vzdálenosti

– Netrin – chemický gradient (atrakce)– Semaforin – chemický gradient (repulse)– Příklad složitosti procesů navigace – navádění

komisurálních interneuronů v dorsální části míchy

Chemo-atraktivní interaceLong-range Close-range

Comisurálníneuron

Netrin-1TAG-1adhezivní molekula

Bazálníploténka NrCAM

Adhezivní molekula

ReceptorDCCExprimovV axonech

Jinde a v jiné souvislostiDCC funguje jako buněčná adhezivní molekula

Chemo-repulzní interakceShort-range Long-range

SlitDifuzibilní protein

ReceptorRobo

Netrin-1

Motoneuron

Slit

Periferie

Rozpoznávání cíle

• Aby NS fungoval jak má a produkoval příslušné chování, musí být spoje specifické

• Tvorba spojů je geneticky podmíněna a závisí na environmentálních faktorech

• Neurony se chovají jakoby věděly kam růst

• Jak poznají cíl?

• Zrakový systém obojživelníků a ptáků

• Gangliové bb retiny prorůstají do tekta

• Z temporální oblasti retiny do anteriorní• Tkáňové kultury

• Chemické naváděcí signály – EPHRINY

• EPH Receptory v tektu– V retině - naso-temporální gradient receptorů– V tektu - antero-posteriorní gradient ephrinů

Pravé oko

Levé tektum Specifická inervaceInterakce receptor tyrosin kináz (Eph kinázy)a ephrinů - mediují vždy repelenci

Ephriny exprimoványna cílových neuronech tektaEph kinázy exprimoványna axonech ganliových buněk

Retina Tektum

NazálníTemporální

Anteriorní(přední)

Posteriorní (zadní)

Gradient Eph receptorů Gradient Ephrinu

Axony gangliových buněk temporární sítnice

Posteriorní tektum

Posteriorní tektum

Eph-receptory Ephrin

Naváděcí signály a receptory

• Short-range (kontaktní)– TAG-1– Slit– N-CAM– ECM adhezní proteiny– Ephriny

• Long-range (difusibilní)– Netrin– Semaphorin– Slit

• NrCAM• Robo• N-CAM• Integriny• Eph receptory

• DCC• Neuropiliny

ARAAR

AR

Ca, proteinkinázy modulují

Synaptogeneze na nervosvalové ploténce

• Embryonální svalové vlákno má embryonální Ach receptory rovnoměrně na povrchu

• Při prorůstání axonu se uvolňuje spontánně Ach – depolarizační potenciál

• Po kontaktu se tvoří základ synapse • Zvyšuje se uvolňování Ach, synapse se dotvoří

během minut a • receptory se zahušťují pod synapsí• Objevuje se acetylcholinesteráza

Formování synapse nervosvalové spojení

Embryonické Ach

mRNA

Dospělé Ach

mRNA

Agrin motoneuronůHeparan sulfát ProteoglykanReceptory MUSK

Retrográdní signály - laminin

Formování synapsí v CNS

• V CNS na jednom neuronu konverguje mnoho synapsí s různými mediátory

• I v CNS dochází ke shlukování příslušných receptorů pod příslušnými synapsemi

• Synaptogeneze a na periferii je shodná

Formování synapsí v CNS

Principy synaptogeneze

• Neexistují předem daná místa pro tvorbu synapse

• Po kontaktu axon indukuje změny v postsynaptickém elementu

• Trofické změny působí anterográdně i retrográdně

• Významně působí elektrická aktivita• Inervace je źpočátku polyneurální, • Počet synapsí je následně upravován kompeticí

neuronů o trofické faktory cílové tkáně

Kompetitivní interakce během vývoje

Kompetitivní interakce během vývoje

• Po vzniku polyneurální inervace

• Některé spoje zanikají

• Dochází k reorganizaci

• Nadprodukce spojů a následná řízená smrt je charakteristická pro vývíjející se NS

Mechanismus, který zajišťuje, aby neuronální vstup

odpovídal

velikosti inervované cílové tkáně

zahrnuje aktivaci genu

pro řízený rozpad DNA

a syntézu proteolytických enzymů

Neuronální aktivita a eliminace synapsí

• V procesu eliminace spojů má významnou úlohu neuronální aktivita

• Stimulace vede k eliminaci neaktivních vláken

• Stimulované spoje tvoří více větvení než nestimulované

Přirozená smrt neuronů během ontogeneze

• Programovaná smrt

• Selekce programu vlivem mimobuněčných faktorů

• Součást přirozeného vývoje