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Entwicklungsneurobiologie WS 2008/2009
V. Differenzierung
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Differenzierungsspotential der Vorläuferzellen wird
eingeschränkt während der Entwicklung Regionale Unterschiede Regionale Identität
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Allgemeine Prinzipien der Neurogenese - Neuronaler Differenzierung?
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Neurale Kompetenz: Proneurale Gene achaete, scute, atonal Selektion neuraler Vorläufer: Neurogene Gene notch, delta Differenzierung neuraler Vorläufer Proliferation neuraler Vorläufer Terminale Differenzierung
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Proneurale Gene - Struktur
bHLH Transkriptionsfaktoren Neurale bHLH Transkriptionsfaktoren binden alle an die DNA-Sequenz CANNTG (E-Box)
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Proneurale Gene - Struktur
Homologe bei Drosophila und Vertebraten achaete Mash1 scute atonal Math1 biparous Neurogenin1 Neurogenin2
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Proneurale Gene - ‚proneurale‘ Funktion bei Drosophila
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Proneurale Gene - ‚proneuronale‘ Funktion bei Vertebraten
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Proneurale Gene - Molekularer Mechanismus der ‚proneuralen‘ Funktion
1.Laterale Inhibition, Aktivierung des Notch Signalwegs (neurogener Faktor)
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Notch Signaltransduktion
-secretase
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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
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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
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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
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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
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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
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Kombination von A/P-D/V Musterbildung und Differenzierungsprogramm
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Motoneuronentwicklung im Rückenmark
Wie entsteht ein LMCLNeuron?
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P D A V Motoneuronentwicklung im Rückenmark
Wie entsteht ein LMCLNeuron? P D A V
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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
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Positionsinformation durch Shh - D/V Domänen
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In dieser Region entstehen
verschiedene somatische Motoneuronen
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Lhx3 RA
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Die Spezifizierung von Nervenzellen determiniert auch die
Axonprojektion
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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?
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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
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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.
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nur durch extrazelluläre Faktoren
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Gliaentwicklung nach Neurogenese
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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
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Proneurale Gene inhibieren Glia-Entwicklung
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Mechanismus
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Proneurale Gene kontrollieren Glia-Entwicklung im RM
PNon PNoff
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Noradrenerge Differenzierung sympathischer Neuronen
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Phox2, Mash1 und dHand induzieren die Entstehung noradrenerger sympathischer Neuronen aus peripheren Vorläuferzellen
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Direkte Aktivierung des Differenzierungsgens DBH durch
Phox2, CREB und Hand2 Phox2 Phox2 Hand2
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Glia-induzierende Signale??
Delta/Notch/numb BMPs
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Neurogenese im peripheren Nervensystem
Glia Glia Proliferierende sympathische Nervenzelle Postmitotische Nervenzelle Mutationen in Phox2b führen zu einer Prädisposition für Neuroblastoma
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Anwendung von Differenzierungsprogrammen/faktoren?
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Math1 kontrolliert Haarzellentstehung im Innenohr
Stützzelle
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Haarzelldegeneration/Gehörverlust
Haarzellregeneration?
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Haarzellregeneration aus Stützzellen (beim Vogel)
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Math1 induziert die Regeneration von Haarzellen
Im adulten Säuger-Ohr (Meerschweinchen) Kontrolle Degeneration (Kanamycin) Zellkerne der äHZ Math1-exprimierende Zellen Aktin (grün)
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Math1 induziert die Regeneration von Haarzellen
Im adulten Säuger-Ohr (Meerschweinchen) Math1-induz. (Regeneration) Kontrolle (Degeneration)
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Math1 induziert die funktionelle Regeneration von Haarzellen
Im adulten Säuger-Ohr (Meerschweinchen)
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