Entwicklungsneurobiologie IV. Musterbildung WS 2008/09

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

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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: