Entwicklungsneurobiologie WS 2008/2009

Präsentation zum Thema: "Entwicklungsneurobiologie WS 2008/2009"—  Präsentation transkript:

1 Entwicklungsneurobiologie WS 2008/2009
V. Differenzierung

2 Differenzierungsspotential der Vorläuferzellen wird
eingeschränkt während der Entwicklung Regionale Unterschiede Regionale Identität

3 Allgemeine Prinzipien der Neurogenese - Neuronaler Differenzierung?

4 Neurale Kompetenz: Proneurale Gene achaete, scute, atonal Selektion neuraler Vorläufer: Neurogene Gene notch, delta Differenzierung neuraler Vorläufer Proliferation neuraler Vorläufer Terminale Differenzierung

5 Proneurale Gene - Struktur
bHLH Transkriptionsfaktoren Neurale bHLH Transkriptionsfaktoren binden alle an die DNA-Sequenz CANNTG (E-Box)

6 Proneurale Gene - Struktur
Homologe bei Drosophila und Vertebraten achaete Mash1 scute atonal Math1 biparous Neurogenin1 Neurogenin2

7 Proneurale Gene - ‚proneurale‘ Funktion bei Drosophila

8 Proneurale Gene - ‚proneuronale‘ Funktion bei Vertebraten

9 Proneurale Gene - Molekularer Mechanismus der ‚proneuralen‘ Funktion
1.Laterale Inhibition, Aktivierung des Notch Signalwegs (neurogener Faktor)

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11 Notch Signaltransduktion
-secretase

12 Proneurale Gene - Molekularer Mechanismus der ‚proneuralen‘ Funktion
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

13 Proneurale Gene - Funktion in der Spezifizierung neuronaler
Proneurale Gene - Funktion in der Spezifizierung neuronaler Subtypen bei Drosophila GOF Experimente: achaete/scute - ektopische ext. sensorische Organe atonal - ektopische chordotonale Organe amos - ektopische multidendritische Neuronen Proneurale Gene - Funktion in der Spezifizierung neuronaler Subtypen bei Vertebraten LOF und GOF Experimente

14 Proneurale Gene - Mechanismus der Spezifizierung neuronaler Subtypen
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 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

15 Spezifizierung neuronaler Subtypen
Proneurale Gene - Mechanismus der Spezifizierung neuronaler Subtypen Mash1 Homöodomänen-Proteine Spezifizierung neuronaler Subtypen Beispiele: Mash1 - noradrenerge N. - GABAerge N. Ngn1/2 - sensorische N. - Motorneurone Nkx6.1

16 Proneurale Gene - Spezifizierung neuronaler Subtypen durch
Interaktion mit Faktoren die räumliche Identität festlegen V0-2 Interneuronen- Spezifizierung durch Ngn1/2 bzw Mash1 + Pax6 V3 Interneuronen- Spezifizierung

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

18 Motoneuronentwicklung im Rückenmark
Wie entsteht ein LMCLNeuron?

19 P D A V Motoneuronentwicklung im Rückenmark
Wie entsteht ein LMCLNeuron? P D A V

20 A/P Neurale Induktion Caudalisierung
noggin FGF Ektoderm anterior neural posterior neural Hox-Gene HoxC10 für lumbale LMCL D/V Dorsalisierung dorsal neural BMPs anterior und posterior neural shh ventral neural Ventralisierung shh (3nM) für LMCL

21 Positionsinformation durch Shh - D/V Domänen

22 In dieser Region entstehen
verschiedene somatische Motoneuronen

23 Lhx3 RA

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25 Die Spezifizierung von Nervenzellen determiniert auch die
Axonprojektion

26 Kann man aus Stammzellen Motoneuronen herstellen?
Neuronale Differenzierung terminale Mitose viscerale Mn Pax6, Nkx6.1 Domäne MMC shh Olig2 MNR2, Ngn2 Isl-1 Lhx3 LMCm LMCmpool a..x somatische Mn LMC RA LMCl Lim1 LMClpool a..x Kann man aus Stammzellen Motoneuronen herstellen?

27 Spezifizierende Transkriptions-
Strategien um spezifische Neuronen aus Stammzellen zu differenzieren (e.g dopaminerge N.) C. Stammzelle Musterbildung Morphogene, Spezifizierende Transkriptions- faktoren Selektion von Vorläuferzellen mit Reporter-Gen (GFP) Versuch und Irrtum Embryologischer Ansatz Verbesserter Embryolog. Ansatz

28 Kann man aus Stammzellen Motoneuronen herstellen?
1. ES - Zellen differenzieren unter Einfluss undefinierter Faktoren u.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.

29 nur durch extrazelluläre Faktoren

30 Gliaentwicklung nach Neurogenese

31 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

32 Proneurale Gene inhibieren Glia-Entwicklung

33 Mechanismus

34 Proneurale Gene kontrollieren Glia-Entwicklung im RM
PNon PNoff

35 Noradrenerge Differenzierung sympathischer Neuronen

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

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42 Direkte Aktivierung des Differenzierungsgens DBH durch
Phox2, CREB und Hand2 Phox2 Phox2 Hand2

43 Glia-induzierende Signale??
Delta/Notch/numb BMPs

44 Neurogenese im peripheren Nervensystem
Glia Glia Proliferierende sympathische Nervenzelle Postmitotische Nervenzelle Mutationen in Phox2b führen zu einer Prädisposition für Neuroblastoma

45 Anwendung von Differenzierungsprogrammen/faktoren?

46 Math1 kontrolliert Haarzellentstehung im Innenohr
Stützzelle

47 Haarzelldegeneration/Gehörverlust
Haarzellregeneration?

48 Haarzellregeneration aus Stützzellen (beim Vogel)

49 Math1 induziert die Regeneration von Haarzellen
Im adulten Säuger-Ohr (Meerschweinchen) Kontrolle Degeneration (Kanamycin) Zellkerne der äHZ Math1-exprimierende Zellen Aktin (grün)

50 Math1 induziert die Regeneration von Haarzellen
Im adulten Säuger-Ohr (Meerschweinchen) Math1-induz. (Regeneration) Kontrolle (Degeneration)

51 Math1 induziert die funktionelle Regeneration von Haarzellen
Im adulten Säuger-Ohr (Meerschweinchen)