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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
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor “Planar RGB”
benötigt.
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
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor “Planar RGB”
benötigt.
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)