Entwicklungsneurobiologie IV. Musterbildung WS 2008/09.
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Entwicklungsneurobiologie
IV. Musterbildung
WS 2008/09
• Regionale Unterschiede• Regionale Identität
Differenzierungsspotential der Vorläuferzellen wird eingeschränkt während der Entwicklung
Neurale Induktion als Hemmung der Differenzierung des Ektoderms zu Epidermis
Zellen aus dem vorderen Teil der induzierten Neuralplatte (schwarz) werden mit Zellenaus dem posterioren Notochord (gelb) gemischt in verschiedenen Verhältnissen:Posteriore Markergene (Hindbrain, Spinal cord) werden durch Notochord induziert.
Aktivation-Transformation des Neuroepithels
Anterior-posteriore (A/P) Musterbildung
Musterbildung und Morphogen-Gradienten
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Morphogene spezifizieren direkt unterschiedliche Zell-Schicksale durch unterschiedliche Morphogen-Konzentrationen
Musterbildung und Morphogen-Gradienten
Gradientenbildung und Aufrechterhaltung:
Bestimmt durch Produktion, Diffusion und Degradation
Diffusion erlaubt Gradienten über Felder von 50 Zellen (F. Crick)Effektive Difusionsraten sind sehr kleinDegradation wird z.T. durch das Morphogen stimuliert (feed-f.)
Musterbildung und Morphogen-Gradienten
Interpretation von Gradienten:
(L. Wolpert: French Flag)
Musterbildung und Morphogen-Gradienten
Interpretation von Gradienten:
1. Es können zwischen 3-7 Schwellenwerte (Zellschicksale) durch einenGradienten bestimmt werden
2. Es werden kleine, 2-3-fache Konzentrationsunterschiede detektiert
3. Die Signaltransduktion ist linear (derselbe Rezeptor, derselbe Signalweg,derselbe Transkriptionsfaktor bei unterschiedlichen Konzentrationen)
4. Morphogenkonzentration wird in Transkriptionsfaktorkonzentration über-setzt (BMP4 in Smad2; Shh in Gli)
Musterbildung und Morphogen-Gradienten
Interpretation von Gradienten:
5. Unterschiedliche Gen-Promotoren besitzen unterschiedliche Affinitäten für einen bestimmten Transcriptionsfaktor
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Musterbildung und Morphogen-Gradienten
Interpretation von Gradienten:
6. Unterschiedliche Gen-Promotoren besitzen unterschiedliche Affinitäten für einen bestimmten Repressor
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Musterbildung und Morphogen-Gradienten
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Musterbildung und Morphogen-Gradienten
Fehlerkorrektur:
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1. Beispiel für A/P Musterbildung
Wnt kontrolliert A/P Musterbildung im Vorder-Hinterhirnbereich
Wnt kontrolliert A/P Musterbildung im Vorder-Hinterhirnbereich(zusammen mit FGF und RA) - kaudalisierender Effekt
Frz bead in a: unter zukünft. MBWnt bead in b: unter zukünft. FB
Anterior-posteriore (A/P) Musterbildung im Hinterhirn
Rhombomeren sind Kompartimente
trochlear
n.trigeminal
n.facialis
n.glossopharyngeus
n.vagusn.hypoglossus
Rhombomeren sind verschieden bzgl. Funktion ihrer Neuronen
Wie wird die A/P-Identität der Rhombomeren bestimmt?
Homöobox-Genfamilie (Hox-Komplexe)
Transplantation von r4 nach r2bei stage 9
A/P Identität und Hox code gleichzeitigfrüh fest gelegt (stage 6-8), bevor sichNeuralrohr schließt
Welchen Effekt hat die Eliminierung von z.B. Hoxb1?
Wie wird die Expression von Hox-Genen im Hinterhirn kontrolliert?
Hoxb1 ist essentiell für die Entstehung von r4-Identität
Retinsäure führt zur A/P Transformation - Rhombencephalon vergrößertMittelhirn und Vorderhirn kleiner.
Retinsäure wird lokal incervikalem paraxialem Mesoderm (Somiten)Produziert, diffundiert ins Neuralrohr undsteuert Hox-Genexpression
Kontrolle der Expression von Hox-Genen im Hinterhirndurch Retinsäure
Wenn Retinsäure entfernt wird, fehlen r4-7, r1-3 vergrößert
Retinsäure ist ein Derivat von Vitamin A; Aktiviert sog. Kern-Rezeptoren; ist bei vielen Musterbildungsprozessen beteiligtz.B. A/P Polarität der Extremitäten
Unterschiedliche Typen von Motoneuronen im Rückenmark: Funktion und Lokalisation
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor “Planar RGB”
benötigt.
A
P
A/P Identität von Motoneuronen im RM durch Hox-Gene bestimmt
Anterior-posteriore (A/P) Musterbildung im Rückenmark
LMC
CT
MMC
Hox-Expression wird im Neuralplattenstadium festgelegt
Induktion der Hox gene Expression durch verschiedene FGF-Konzentrationen
625 ng/ml FGF
5 ng/ml FGF
25 ng/ml FGF
125 ng/ml FGF
A
P
brachial
thorakal
lumbar
Jeder Muskel (50) wird von einer spezifischen Motoneurongruppe (pool) innerviert
brachialA
P
Hox5/Hoxc8 bestimmen die Identität von Motoneuronpools (A/P) in LMCbrachial
Dorsoventrale Musterbildung
Dorsoventrale Musterbildung im Rückenmark
Das ventralisierende Signal aus dem Notochord ist ein sekretiertes Protein: sonic hedgehog (shh)
Sonic hedgehog (shh) Signaltransduktion
Shh reprimiert Pax3,7 > Pax6
Typ I Homöobox-Gene und induziert Typ II ...
Definition von Bereichen mit unterschiedlicher Homöodomänen-Genexpression
In den unterschiedlichen Bereichen entstehen verschiedene ventrale Neuronen
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Shh ist ein Morphogen
Nicht nur die Konzentration sondern auch die Dauer ist wichtig(Dessaud et al., (2007) Nature 450, 717-720)
„Identische Vorläuferzellen differenzieren in Abhängigkeit von der Konzentrationeines Morphogens zu unterschiedlichen Zelltypen“
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Dorsalisierende Signale im ZNS
• Im dorsalen Rückenmark entstehen Neuralleiste, Deckplatte (roof plate) und dorsale Interneuronen (C)
• Die Entstehung erfordert dorsalisierende induktive Signale.
• Bone morphogenetic proteins (BMPs) werden im epidermalen Ektoderm exprimiert und induzieren Neuralleiste (slug).
• Dorsale Interneuronen enstehen später unter dem Einfluß von Signalen (BMPs) aus der Deckplatte.
Musterbildung im dorsalen Rückenmark
Unterschiedliche neuronale Phänotypen werden - durch unterschiedliche Konzentrationen von BMPs
(A) als auch selektiv- durch verschiedene Mitglieder der BMP Familie
induziert (B)
• GDF-7 wird in der Deckplatte exprimiert.
• Im GDF-7 knockout verschwindet die mATH1- Expression und D1A Interneurone entstehen nicht.
• D1B Neurone sind nicht betroffen.
Eliminierung der Deckplatte durch Diphterietoxin-GDF7:Beweis dass die Entwicklung der dorsalen Interneurone D1A, D1B und D2 von Signalen aus der Deckplatte bestimmt wird.
ektopisch shh
ektopische dopaminerge Neuronen
dopaminerge Neuronen
shh
serotoninerge Neuronen
Motoneuronen
Integration der A/P- und D/V Positionsinformation
Musterbildung im Mittelhirn-Vorderhirn
Prosomeren im Mittel- und Vorderhirnbereich der Neuralplatte zu erkennen durch die Expression von Transkriptionsfaktoren
A/P und D/V Signale auch im Mittel-, Zwischen- und Telencephalon
Shh
BMP
Shh
BMP
FGF in der MHB
Zusammenfassung I
• A/P Musterbildung durch Gradienten sekretierter Faktoren mit kaudalisierender Funktion (Vorderhirn Wnt, Rautenhirn Retinsäure, Rückenmark FGF)
• A/P Muster durch Hox-Gene im Rückenmark und Rautenhirn
(durch FGF und Retinsäure induziert)
• D/V Musterbildung durch Gradienten sekretierter Faktoren(shh, BMPs) mit ventralisierender/dorsalisierender Funktion
• Identische D/V Signale im Rückenmark, Hinterhirn, Mittelhirn und Endhirn (shh, BMPs).
• D/V Muster durch Homöoprotein-Domänen (Pax6, Dlx ...) durch shh, BMPs induziert.
• Dorsale Signale aus Ektoderm, ventrale aus Mesoderm, später beide ins Neuroektoderm verlagert (Boden- und Deckplatte).
• D/V Signale kommen nach A/P Muster
• 3D-Koordinatensystem. das die regionale Identität definiert.
Zusammenfassung II
MHB ist ein ‚Signalzentrum‘ wie Bodenplatte/Deckplatte(FGF8 Applikation zeigt denselben Effekt)
BMPs sind für die Entstehung dorsaler Phänotypen im ZNS verantwortlich
A) Frühes Stadium:
B) Späteres Stadium: