Entwicklungsneurobiologie WS 2008/2009 V. Differenzierung

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

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

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

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

Proneurale Gene - ‚proneurale‘ Funktion bei Drosophila

Proneurale Gene - ‚proneuronale‘ Funktion bei Vertebraten

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

Notch Signaltransduktion -secretase

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

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

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

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

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

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

Motoneuronentwicklung im Rückenmark Wie entsteht ein LMCLNeuron?

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

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

Positionsinformation durch Shh - D/V Domänen

In dieser Region entstehen verschiedene somatische Motoneuronen

Lhx3 RA

Die Spezifizierung von Nervenzellen determiniert auch die Axonprojektion

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?

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

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.

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

Proneurale Gene kontrollieren Glia-Entwicklung im RM PNon PNoff

Noradrenerge Differenzierung sympathischer Neuronen

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

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

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

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

Anwendung von Differenzierungsprogrammen/faktoren?

Math1 kontrolliert Haarzellentstehung im Innenohr Stützzelle

Haarzelldegeneration/Gehörverlust Haarzellregeneration?

Haarzellregeneration aus Stützzellen (beim Vogel)

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

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

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