Nervsystemets utveckling
FRÅGOR:
1. När börjar nervsystemet ursprungligen utvecklas?
2. Beskriv denna fas!
3. Vad innebär 2-veckors regeln?
4. Vad är Notochordet?
5. Beskriv det intilligande mesodermets funktion och struktur!
6. Förklara neural induktion! Vilka signaler hjälper till med detta?
7. Cellerna blir småningom så många att de börjar böja sig (vid neuralplattan), beskriv denna rörformering!
8. Vad bidrar somiterna till?
9. Vad kommer från neurallisten?
10. Varför ska gravida äta extra folsyra? Hur kan man upptäcka att det blivit ett fel?
11. Vad innebär en total myelomeningocele resp. meningocele?
12. Vad är speciellt med neurala prekursorceller?
13. Vad innebär pluripotent?
14. Vad innebär totipotent?
15. Beskriv golvplattan och takplattans viktigaste funktion!
16. Vilka är de fem mest fundamentala induktiva signalsubstanserna under neuralutvecklingen?
17. Förklara vad "floorplate" och "roofplate" innebär!
18. Inom utvecklingsbiologin brukar raka rör ofta knyckla ihop sig för att forma nya strukturer. Så även i hjärnan. Försök att beskriva hur de olika delarna av hjärnan bildas av denna neuraltub!
19. Hur kan några neurala precursorceller ge upphov till så många strukturer som ändå finns i hjärnan?
20. Vad är rombomerer?
21. Beskriv RA och dess effekter!
22. Beskriv FGF och dess effekter!
23. Beskriv BMP och dess effekter!
24. Beskriv Wnt och dess effekter!
25. Beskriv Sonic Hedgehog och dess effekter!
26. Berätta om neurogenesen!
27. Beskriv den symmetriska och den asymmetriska delningen av neuroektodermala celler!
28. Vad är Deltas och Notches?
29. Beskriv kort EMT samt problemen som kan uppstå!
30. Nackdelar med microglia?
31. Vad har ependymcellernas hår för funktion?
SVAR:
1. Vid gastruleringen (efter ca 3 veckor), då de tre groddbladen bildas. Detta formar kroppens olika axlar (anterior-posterior (=mun-anus), dorsal-ventral (= rygg-mage) samt medial-lateral-axeln). Dessa axlar är i sin tur fundamentala för utvecklingen av alla organ i kroppen, inkl. hjärnan.
2. I början har vi ett platt embryo. Det utvecklas ett buccopharyngealmembran som bildar munnen och kloakmembran som bildar anus och mittemellan har vi primitivstrimman. Denna strimma ger axlarna (hö-vä, upp-ner). Strax efter det så strömmar det ut faktorer från noden i mitten. Dessa ger upphov till de olika lagrena samt neuruleringen. Vid gastruleringen kommer också celler att vandra nedåt i primitivstrimman enligt ica-maxiprincipen, dvs alla vill parkera så nära ingången som möjligt och när ett plan fyllts börjar nästa fyllas. Först fylls endodermet, sedan bildas mesodermet. Epiblastlagret som är överst byter namn till ektoderm (neuroektodermet bildar hela nervsystemet) då mesodermet bildats. Gastruleringen är själva migrationen.
3. Att man får ta stamceller och odla dem i max 2 veckor och sedan får man inte gå vidare utan måste stoppa utvecklingen. Detta för att hindra mänsklig kloning.
4. Notochordet är en mesodermal struktur som ligger i mitten av mitten (genereras från den primitiva noden). Det är viktigt då det specificerar topografin av embryot, bestämmer nervsystemets position samt bidrar till tidig neural differentiering. Den utsöndrar massa viktiga faktorer, ex FGF - fibroblast growth factor och Shh - sonic hedgehog. Dessa kommer påverka ektodermet att bilda neuralplattan av neuroektodermala prekursorceller (differentiering till neuroektodermala prekursorceller= neurulation). Sker inte detta får vi inget foster. Sedan kommer notochordet försvinna delvis och bara finnas som en rest i våra diskar i ryggraden.
5. I mesodermet vid notochordet kommer somiter att formas. De kommer också utsöndra FGF och andra faktorer som också hjälper till att skapa de neurala cellerna i ektodermet.
6. Cell A utsöndrar något som påverkar cell B till att bli cell C. De viktigaste signalerna är FGF, BMP och Wint (även cytokiner och hormoner ex. glukokortikoider och thyroidhormon). I fallet med embryoutveckling: cell A ligger i notochord och floorplate samt roofplate skickar signaler till cell B som ligger i neuraltuben. Cell B blir då till cell C, dvs nervceller. ( Även primitivstrimman och ektodermet i sig kan signalera samt somiterna).
7. Vi har en neuralplatta som börjar vikas --> neuralvikning. Då bildas ett "floorplate" (vid notochordet som sedan kommer och krympa ihop). (I detta moment får vi bara nervceller). Neurallisten (består av neuroektoderm) finns i ytterkanterna av denna vikning och småningom kommer dessa två kanter att mötas för att forma ett rör (Då "springer" neurallistcellerna iväg). Då får vi även en "roofplate". Denna separerar sig från neurallisten och från det övre lagret, dvs ektodermet. Floorplate och somiterna skickar signaler till neuraltuben och cellerna i denna kommer att forma hjärnan, ryggmärgen och den största delen av det perifera nervsystemet.
8. Somiterna bidrar till att dela upp kroppen mellan mun och anus, dvs anteriort-posteriort. Dessa styrs av sk. hoxgener.
9. Neurallistcellerna börjar migrera iväg och kan migrera väldigt långt. Dessa formar i stort sett hela våra ansikten utom benen (teori evolutionärt: neurallisceller --> börjar aktivt leta efter mat, tänk exemplet med sjöanemoner) , hjärta, melanocyterna, sympatiska gangliet, sensoriska gangliet, hela enteriska nervsystemet. Ovanligt med fel i denna migrering men om det händer blir man rätt dålig och det finns många sjukdomar kopplade till detta.
10. För att minska fosterdefekter ffa vid neuraltubsslutningen. Om slutningen ej sker --> får spina bifida. (Pga folsyra har antalet fall minskats till ca 1/10.000 barn, upp till 90% reducerad risk med folsyra) Folsyran är en inhibitor av BMP-signalering. BMP vill komma in och förstöra cellernas proliferation och istället påverka dem mot mognad. FGF vill istället att de ska dela sig en gång till, dvs proliferera. Ex. skolsköterskor kollar efter en stubb-behåring del på ryggen över den punkt där ryggen ej slutits ordentligt.
11. Myelomeningocele - Hela nervsystemet ligger utanför ryggraden --> kan få missfall. Meningocele - har fått en bubbla som ej slutits där det finns cerebrospinalvätska.
12. De är ej stamceller då de bara kan bli nervceller. Efter några veckor kan de helt plötsligt bli oligodendrocyter och andra glia också. Beror på metyleringar, histonmodifieringar etc. Då kallas de neurala stamceller som är multipotenta = kan bli många olika celler.
13. Pluripotenta stamceller är embryonala celler som kan bli allt utom moderkaka.
14. Ex. cellerna i morulan, dvs de kan både bli moderkaka och embryo.
15. De är speciella cellen i neuraltuben som utsöndrar olika faktorer. Mer om det längre ner.
16. RA- retinoic acid eller vitaminA derivat (Morfogen - Koncentration). BMP:s (bone-morfogenetic protein), FGF (fibroblast-growth factor), Shh och Wnt (hopslagning av 2 st).
17. Floorplate är en del av neuraltuben som bildar den ventrala mittlinjen. Cellerna här differentierar till specialiserade epitel-cellsliknande celler. Dessa sänder ut signaler som specificerar positionen för ryggradens och bakre hjärnans neuroectodermala precursorer (de sitter också ventralt). Roofplate är en smal glipa med neuroepiteliala celler i den dorsala mittlinjen. Även dessa sänder signaler som bidrar till differentieringen av de dorsala cellerna. Båda dessa strukturer försvinner då det initiala nervsystemet utvecklats klart.
18. Morfogenisk rörelse (koncentration!) kommer att böja, vika och dra samman tuben och längst fram bildas ett handtag eller en krok. Den yttre delen av detta kallas den cephaliska flexuren och denna kommer sedan svälla som en ballong för att bilda prosencephalon som sedan bildar främre delen av hjärnan. Mesencephalon formas som en utbuktning ovanför den cephaliska flexuren. Bakhjärnan eller rhombencephalon formas i den långa, relativt raka delen mellan den cervikala och kaudala flexuren. Kaudalt om den cervikala flexuren kommer neuraltuben att forma precursorn till ryggmärgen. Lumen i hjärnan kommer att forma ventriklarna. Efter detta sker minst två rundor av delningar till som resulterar i att ex. prosencephalon blir telencephalon osv.
19. En stor del av svaret tros ligga i att den neurala tuben är organiserad i upprepade enheter som kallas neuromerer. Dessa segment skapar en regional identitet. I bananflugan (drosophila) så syns dessa segment tydligt och där finns ett uttryck av gener som kallas homeoboxgener vilka guidar differentieringen av embryot till olika segment. Hos oss kallas motsvarande gener för hoxgener. Dessa har fyra kluster av homologa gener där varje genkluster är lokaliserad i en distinkt kromosom. Det är inte bara hoxgenerna (varje hoxgen står för en rhomb eller ett segment) och de transkripterade faktorerna och signalmolekylerna som bestämmer vad som blir vad utan även regionen bestämmer transkriptionsuttrycket. Experiment där man flyttar på embryonal vävnad visar att dessa antingen får identiteten från den nya regionen eller behåller sin ursprungliga identitet. Cellerna som flyttas kompenseras genom proliferation. Hela utvecklingen kan också stanna upp eller så ändras hela utvecklingsprogrammet. Dessa experiment visar sammantaget att interaktioner mellan celler i intilliggande lager är essentiella för regional och cellulär indentitet. Notochordet, golvplattan, takplattan, neuroektodermet själv samt omkringliggande mesodermal vävnad som somiter kan alla sända ut signalmolekyler. De flesta signalmolekyler skickas ut av en embryonal cellklass eller vävnad för att sedan diffundera ut i extracellulärrummet och verka på intlliggande celler. Olika receptorer aktiveras och detta leder till vidare differentiering. I vissa fall har signalerna olika effekt beroende på avståndet till målcellen. Denna induktiva signalering kan skapa förändringar i genuttryck, form eller motilitet. Ex. Notochordet är fylld med Shh (morfogen) som talar om för golvplattan att tillverka Shh. De olika koncentrationerna av Shh beroende på målcellens avstånd påverkar sedan cellens utveckling. Därav kallas Sonic hedgehog för morfogen.
20. En serie på sju stycken utbuktningar som bildas i rhombencephalon. Dessa är siter för differentialcellproliferation. (Det går snabbare för cellerna att delas här). De kraniella motoriska nerverna kommer härifrån.
21. RA- retinoic acid eller vitaminA derivat. Detta är ett hormon som är litet och lipofilt. Det tar sig in i cytoplasman och hittar ett protein som det går in med till cellkärnan. Det binder till receptorn (retinioda receptorer, RAr) som redan sitter på DNA:t och aktiverar transkription. RA kommer att driva på cellulär differentiering. Det är viktigt för segmenteringen upp och ner (anterioposteriort). Detta är ett hormon som finns överallt och verkar där receptorn finns. Sällsynt att man får vitaminA-brist. Vi har lager i kroppen och får i oss det som extratillsatt i maten etc. RA är också bra ex. för regeneration efter operation.
22. FGF - fibroblast growth factor hör till de mest induktiva signalmolekylerna. Det är ett stort peptidhormon. Egentligen finns 22 st olika FGF-ligander i människa vilka binder till samma receptorthyrosinkinas (membranreceptor). Detta initierar en fosforylationsbaserad signalkaskad via Ras-MAP kinasvägen. (MAP sätter sig på DNA:t och initierar transkription). Detta kan leda till ett förändrat uttryck som modulerar ex. proliferation (mer) och differentiering (mindre). "Dela dig en gång till" - signalering (även då det gäller cancer). (Medicin: ger sig på receptorerna med antikroppar) (ying)
23. BMP - bone morphogenetic proteins - är ett peptidhormon som framförallt är viktigt i den neurala induktionen och differentieringen. (bla. viktigt i den initiala specificeringen av neuralplattan). BMP är egentligen sex olika ligander som alla aktiverar samma signaleringsväg via ett receptorserinkinas (membranreceptor) vilket resulterar i en fosforylation och translokation av transkriptionsregulatorn SMAD till kärnan. Vill hela tiden komma in och avbryta FGF - "Stopp, differentiera!". Faktorn fungerar inte som den ska vid tumöruppkomst vilket gör att FGF tar över och det istället blir en proliferation av celler. (yang)
BMP verkar bland annat för ben och hudformation (epidermis) och det kommer framförallt från mesodermal vävnad. Hur har det då och göra med den neurala tillväxten? Mekanismen verkar ligga hos den lokala aktiviteten av två ytterligare induktiva signalmolekyler, Noggin och Chordin. Dessa antagonister kan binda BMP och hindra att det binder in till sitt BMP-receptorprotein. Pre-Epidermet blir då "räddat" och kan istället utvecklas mot neuroektoderm. (Kan låta ett helt huvud tillkomma hos ex. groda och salamander men de överlever inte)
24. Wnt är en familj signalmolekyler som modulerar nervsystemets morfologi och differentiering. Dessa 19 ligander kan aktivera TVÅ signalvägar, den kanoniska samt den icke-kanoniska.
Den icke-kanoniska vägen reglerar cellrörelse som är nödvändig för förlängningen av den neurala tuben. Wnt kommer att aktivera sk. frizzled-receptorprotein och detta gör att de intracellulära calciumnivåerna ändras. Om det istället binder en "orphan" receptor-tyrosinekinas aktiveras Jun kinase och denna signalväg kan fosforylera olika intracellulära mål som leder till förändringar i cellens form och polaritet.
Den kanoniska vägen påverkar proliferation, adhesion och differentiering efter den initiala morfogenesen i nervsystemet (gastrulation och neurulation). Här behöver frizzled-receptorn aktiveras med en annan co-receptor. Denna väg leder till en stabilisering av Betakatenin (anv. kliniskt, ska ligga i cytoplasman. Om det är i kärnan --> kan ha neuroblastom, neurallisttumör hos barn) som sedan kan föras till kärnan för att påverka transkriptionen genom TCF/LEF.
25. Shh- Sonic hedgehog (typisk morfogen - beroende på avståndet till källan får vi olika koncentrationsgradient som avgör hur cellerna utvecklas) är viktigt framförallt i två faser av den neurala utvecklingen. Dels för att stänga den neurala tuben längs den anteriora mittlinjen, dels för att tilldela identiteten för neuron, speciellt till motorneuron som ligger i den ventrala delen av ryggmärgen och bakhjärnan.
Shh kräver en inbindning av ytterligare två ytreceptorprotein - patched och smoothened. Finns inte Shh kommer istället ett inhibitoriskt komplex att bildas och detta gör att endast Gli3 kommer att kunna gå in och aktivera kärnan. Om Shh istället finns binder det till patched vilket gör att smoothened accumuleras på cellytan. Detta förhindrar det inhibitoriska komplexets verkningar och gör att även Gli1 och 2 kan translokeras till kärnan där de reglerar genuttryck för neural identitet. Talar om vilka celler vi ska ha dorsoventralt. Viktig för patterning, identiteten av nervceller. (sjukdomar: Basalcellscarcinom, meduloblastom (går att behandla men gör att barnen blir utvecklingsskadade), cyklopedi etc.)
26. När gastrulationen och neurulationen är färdig kommer precursorceller till olika deler av hjärnan att börja utvecklas. Dessa finns lokaliserade i den ventrikulära zonen, i det innersta lagret som omringar lumen i den neurala tuben. Detta är en region för en extrem proliferationsaktivitet under mognadsstadiet. Ca 250.000 nya neuron genereras här varje minut då proliferationen är som störst (men många dör också!). Förutom några få specialfall så är alla nervceller till den adulta hjärnan skapade i detta tidsfönster innan födseln. Därefter försvinner precursorcellerna och få nya neuron om ens några alls kan skapas för att reparera en skada.
27. Cellerna runt ventriklarna kan antingen bli nya stamceller alternativt precursorceller eller neuroblaster som differentierar till neuron. Detta betyder att själva celldelningen, såväl som transkriptionsfaktorer bestämmer ödet för nervsystemet. Nya stamceller kommer från en symmetrisk delning (delar sig åt sidan) av neuroektodermala celler. Denna delning går rätt långsamt och de nya cellerna kan förnya sig själva hur många gånger som helst.
Postmitotiska neuron eller neuroblaster kommer istället från celler som delat sig asymmetriskt (Delar sig så att den ena hamnar ovanpå den andra). En av dottercellerna blir då denna postmitotiska neuroblast (ska bli nervcell!) medan den andra dottercellen (progenitorcellen) har möjligheten att återigen göra en asymmetrisk delning. Dessa kan delas snabbt men bara ett visst antal gånger. Vid asymmetrisk celldelning går cellerna rakt upp från ventrikeln. De klättar och lägger sig i flera lager och på så sätt utvecklas cortex. Detta kallas radiell migrering. Problemet för forskarna är att det då blir nya koncentrationer och det betyder att migreringen gör det svårt att hitta mediciner som kan verka hela vägen.
Olika celler verkar formas inom ett visst tidsförnster för att sedan migrera ut och bilda sin del av hjärnan.
Viktig faktor i det här stadiet? NOTCH! Se nedan!
28. Deltas är en cellytsligand och Notches (faktor som är intressant i både cancer och altzheimers) är en receptor som är nyckelreglerare av stamcellers förmåga att generera antingen fler stamceller eller postmitotiska neuron. Dessa påverkas i sin tur av celler i närheten och inbindningen av Delta och Notches sker endast på celler som ligger tätt intill varandra. Då dessa molekyler (som sitter i de två cellernas membran) binder till varandra kommer den intracellulära domänen av notch-receptorn att klyvas varpå fragmentet (kallas NICD) forslas från cytoplasman till kärnan. NICD kommer sedan binda till ett transkriptionskomplex som normalt är repressivt men som nu istället resulterar i transkription av ett antal sk. hes-gener. Dessa i sin tur bidrar till transkription av faktorer involverade i den slutliga differentieringen av neurala celler (ex. bHLH). Denna uppkomna signalering kommer att påverka ett fåtal celler omkring att uppreglera sin Delta-ligand (dessa differentierar mot neuron) medan ännu fler får signaler om att nedreglera sin deltaligand (bli stammceller). (Dvs - notch säger - "bli inte nervcell", delta säger "bli en nervcell") Notch och BMP jobbar ihop och säger tillsammans "bli något annat" (ej nervceller). Även vid symmetrisk delning finns dessa med men då kommer FGF och hjälper till att få delningen symmetrisk. Så fort cellen blir en progenitorcell uttrycker den troligen notch.
29. Utvecklingsmoment EMT – epiteliala celler (precis som tumörer) kan bli mesenkymala. Mesenkymala celler kan migrera (blir metastaser i cancer) och dessutom utvecklas till nästan vad som helst.
30. De följer med den onda " ledaren" . Ex. vid cancer vill man att microglian ska komma in och döda celler men istället så hjälper de dem att överleva. Detta sker mycket forskning på.
31. Ependymcellernas hår hjälper till att forsla celler vid utvecklingen.
