Entwicklungsneurobiologie WS 2008/2009 V. Differenzierung

Entwicklungsneurobiologie WS 2008/2009

V. Differenzierung

• Regionale Unterschiede

• Regionale Identität

Differenzierungsspotential der Vorläuferzellen wird eingeschränkt während der Entwicklung

Allgemeine Prinzipien der Neurogenese - Neuronaler

Differenzierung?

Neurale Kompetenz:Proneurale Gene achaete, scute, atonal

Selektion neuraler Vorläufer:Neurogene Gene notch, delta

Differenzierung neuraler Vorläufer

Proliferation neuraler Vorläufer

Terminale Differenzierung

bHLH Transkriptionsfaktoren

Proneurale Gene - Struktur

Neurale bHLH Transkriptionsfaktoren binden alle an die DNA-Sequenz CANNTG (E-Box)

achaete Mash1scute

atonal Math1

biparous Neurogenin1Neurogenin2

Proneurale Gene - Struktur

Homologe bei Drosophila und Vertebraten

Proneurale Gene - ‚proneurale‘ Funktion bei Drosophila

Proneurale Gene - ‚proneuronale‘ Funktion bei Vertebraten

1.Laterale Inhibition, Aktivierung des Notch Signalwegs (neurogener Faktor)

Proneurale Gene - Molekularer Mechanismus der ‚proneuralen‘ Funktion

Notch Signaltransduktion

-secretase

1.Laterale Inhibition, Aktivierung des Notch Signalwegs

2. Positiver Feedback - proneurale Gene stark exprimiert

3. Induktion von Kaskaden von Neuron-Differenzierungsgenen, proneurale Gene werden nur kurz exprimiert (nur VZ)

Ngn1 - Math3 - NeuroD (alles bHLH Proteine).

4. Hemmung der Gliaentwicklung

5. Zell-Zyklus-Regulation

Proneurale Gene - Molekularer Mechanismus der ‚proneuralen‘ Funktion

Proneurale Gene - Funktion in der Spezifizierung neuronaler Subtypen bei Drosophila

Proneurale Gene - Funktion in der Spezifizierung neuronaler Subtypen bei Vertebraten

LOF und GOFExperimente

GOF Experimente:achaete/scute - ektopische ext. sensorische Organeatonal - ektopische chordotonale Organeamos - ektopische multidendritische Neuronen

Proneurale Gene - Mechanismus der Spezifizierung neuronaler Subtypen

Erklärung:

- Selektivität kommt durch Ko-Aktivatoren zustande, welche an DNA-Bereiche in der Nähe und an bHLH Faktoren binden

- erklärt auch unterschiedliche Effekte desselben bHLH Faktors in verschiedenen Zellen

Paradox:

- Verschiedene bHLH Faktoren binden in vivo selektiv an E-Boxen im Promotor bestimmter Zielgene und aktivieren deren Transkription

- die E-Boxen im Promotor der Zielgene verschiedener bHLH Faktoren sind identisch

Proneurale Gene - Mechanismus der Spezifizierung neuronaler Subtypen

Beispiele:

Mash1 - noradrenerge N. - GABAerge N.

Ngn1/2 - sensorische N.- Motorneurone

Mash1 Homöodomänen-Proteine

Spezifizierung neuronaler Subtypen

Nkx6.1

Proneurale Gene - Spezifizierung neuronaler Subtypen durchInteraktion mit Faktoren die räumliche Identität festlegen

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V0-2 Interneuronen-Spezifizierung durchNgn1/2 bzw Mash1 + Pax6

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V3 Interneuronen-Spezifizierung

Kombination von A/P-D/V Musterbildung und Differenzierungsprogramm

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Motoneuronentwicklung im RückenmarkWie entsteht ein LMCLNeuron?

A

P

D

V

Motoneuronentwicklung im RückenmarkWie entsteht ein LMCLNeuron?

A/P Neurale Induktion Caudalisierung

Ektoderm anterior neural posterior neuralnoggin FGF

Hox-Gene

D/V Dorsalisierung

anterior und posterior neural shh

BMPs

Ventralisierungventral neural

dorsal neural

HoxC10 für lumbaleLMCL

shh (3nM) fürLMCL

Positionsinformation durch Shh - D/V Domänen

In dieser Region entstehenverschiedene somatische Motoneuronen

Lhx3

RA

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Die Spezifizierung von Nervenzellen determiniert auch dieAxonprojektion

shh

Pax6,Nkx6.1Domäne

MNR2,Ngn2

Isl-1

Neuronale Differenzierung

LMC

MMC

viscerale Mn

somatische Mn

LMClLim1

LMCm

LMClpool a..x

LMCmpool a..x

RA

Lhx3

terminale Mitose

Olig2

Kann man aus Stammzellen Motoneuronen herstellen?

Strategien um spezifische Neuronen aus Stammzellen

zu differenzieren (e.g dopaminerge N.)

Versuch und Irrtum Embryologischer Ansatz Verbesserter Embryolog.Ansatz

Stammzelle

MusterbildungMorphogene,

Spezifizierende Transkriptions-faktoren

Selektion von Vorläuferzellen mitReporter-Gen (GFP)

C.

Kann man aus Stammzellen Motoneuronen herstellen?

1. ES - Zellen differenzieren unter Einfluss undefinierter Faktorenu.a. zu Nervenzellen, anteriore Positionswert (Hox-Code)

2. Caudalisiert mit Retinsäure (RA) - (Hinterhirn, nicht Rückenmark)

3. Ventralisiert mit shh

4. Ein geringer Anteil der Neuronen (20-30%) zeigt Motoneuroneigenschaften(u.a. auch Hb9; Hb9-Promotor/GFP-reporter)

5. Hb9-positive Zellen isoliert (exprimieren GFP) und in vivo implantiert.

6. Entwickeln sich in vivo zu morphologisch normalen Motoneuronen.

nur durch extrazelluläre Faktoren

Gliaentwicklung nach Neurogenese

Gliogene Signale:

LIF (keine Astrozyten im ko)(Leukemia inhibitory factor)

Neuregulin (keine Schwannzellen im ko)

Gliogene Signale:

Können erst wirken wenn proneurale Gene abgeschaltet sind

Proneurale Gene inhibieren Glia-Entwicklung

Mechanismus

PNon PNoff

Proneurale Gene kontrollieren Glia-Entwicklung im RM

Noradrenerge Differenzierung sympathischer Neuronen

Phox2, Mash1 und dHand induzieren die Entstehung noradrenerger sympathischer Neuronen aus peripheren

Vorläuferzellen

Phox2 Phox2

Direkte Aktivierung des Differenzierungsgens DBH durchPhox2, CREB und Hand2

Hand2

BMPs

glia

Delta/Notch/numb

Glia-induzierende Signale??

Glia

PostmitotischeNervenzelle

Neurogenese im peripheren Nervensystem

Glia

ProliferierendesympathischeNervenzelle

Mutationen in Phox2b führen zu einer Prädisposition für Neuroblastoma

Anwendung von Differenzierungsprogrammen/faktoren?

Math1 kontrolliert Haarzellentstehung im Innenohr

Haarzelle

Stützzelle

Haarzelldegeneration/Gehörverlust

Haarzellregeneration?

Haarzellregeneration aus Stützzellen (beim Vogel)

Kontrolle Degeneration (Kanamycin)

Zellkerne der äHZ

Math1-exprimierende Zellen Aktin (grün)

Math1 induziert die Regeneration von HaarzellenIm adulten Säuger-Ohr (Meerschweinchen)

Math1 induziert die Regeneration von HaarzellenIm adulten Säuger-Ohr (Meerschweinchen)

Math1-induz.(Regeneration)

Kontrolle(Degeneration)

Math1 induziert die funktionelle Regeneration von HaarzellenIm adulten Säuger-Ohr (Meerschweinchen)