Entwicklungsneurobiologie IV. Musterbildung WS 2008/09

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

Neurale Induktion als Hemmung der Differenzierung des Ektoderms zu Epidermis

Zellen aus dem vorderen Teil der induzierten Neuralplatte (schwarz) werden mit Zellen aus dem posterioren Notochord (gelb) gemischt in verschiedenen Verhältnissen: Posteriore Markergene (Hindbrain, Spinal cord) werden durch Notochord induziert.

Aktivation-Transformation des Neuroepithels

Anterior-posteriore (A/P) Musterbildung

Musterbildung und Morphogen-Gradienten Morphogene spezifizieren direkt unterschiedliche Zell- Schicksale durch unterschiedliche Morphogen-Konzentrationen

Musterbildung und Morphogen-Gradienten Gradientenbildung und Aufrechterhaltung: Bestimmt durch Produktion, Diffusion und Degradation Diffusion erlaubt Gradienten über Felder von 50 Zellen (F. Crick) Effektive Difusionsraten sind sehr klein Degradation wird z.T. durch das Morphogen stimuliert (feed-f.)

Musterbildung und Morphogen-Gradienten Interpretation von Gradienten: (L. Wolpert: French Flag)

Musterbildung und Morphogen-Gradienten Interpretation von Gradienten: Es können zwischen 3-7 Schwellenwerte (Zellschicksale) durch einen Gradienten bestimmt werden Es werden kleine, 2-3-fache Konzentrationsunterschiede detektiert Die Signaltransduktion ist linear (derselbe Rezeptor, derselbe Signalweg, derselbe Transkriptionsfaktor bei unterschiedlichen Konzentrationen) Morphogenkonzentration wird in Transkriptionsfaktorkonzentration über- setzt (BMP4 in Smad2; Shh in Gli)

Musterbildung und Morphogen-Gradienten Interpretation von Gradienten: 5. Unterschiedliche Gen-Promotoren besitzen unterschiedliche Affinitäten für einen bestimmten Transcriptionsfaktor

Musterbildung und Morphogen-Gradienten Interpretation von Gradienten: 6. Unterschiedliche Gen-Promotoren besitzen unterschiedliche Affinitäten für einen bestimmten Repressor

Musterbildung und Morphogen-Gradienten

Musterbildung und Morphogen-Gradienten Fehlerkorrektur:

1. Beispiel für A/P Musterbildung Wnt kontrolliert A/P Musterbildung im Vorder-Hinterhirnbereich

Wnt kontrolliert A/P Musterbildung im Vorder-Hinterhirnbereich (zusammen mit FGF und RA) - kaudalisierender Effekt Frz bead in a: unter zukünft. MB Wnt bead in b: unter zukünft. FB

Anterior-posteriore (A/P) Musterbildung im Hinterhirn

Rhombomeren sind Kompartimente

Rhombomeren sind verschieden bzgl. Funktion ihrer Neuronen trochlear n.trigeminal n.facialis n.glossopharyngeus n.vagus n.hypoglossus

Wie wird die A/P-Identität der Rhombomeren bestimmt?

Homöobox-Genfamilie (Hox-Komplexe)

Welchen Effekt hat die Eliminierung von z.B. Hoxb1? Transplantation von r4 nach r2 bei stage 9 A/P Identität und Hox code gleichzeitig früh fest gelegt (stage 6-8), bevor sich Neuralrohr schließt Welchen Effekt hat die Eliminierung von z.B. Hoxb1?

Hoxb1 ist essentiell für die Entstehung von r4-Identität Wie wird die Expression von Hox-Genen im Hinterhirn kontrolliert?

Kontrolle der Expression von Hox-Genen im Hinterhirn durch Retinsäure Wenn Retinsäure entfernt wird, fehlen r4-7, r1-3 vergrößert Retinsäure wird lokal in cervikalem paraxialem Mesoderm (Somiten) Produziert, diffundiert ins Neuralrohr und steuert Hox-Genexpression Retinsäure führt zur A/P Transformation - Rhombencephalon vergrößert Mittelhirn und Vorderhirn kleiner. Retinsäure ist ein Derivat von Vitamin A; Aktiviert sog. Kern- Rezeptoren; ist bei vielen Musterbildungsprozessen beteiligt z.B. A/P Polarität der Extremitäten

Anterior-posteriore (A/P) Musterbildung im Rückenmark Unterschiedliche Typen von Motoneuronen im Rückenmark: Funktion und Lokalisation P MMC CT A LMC A/P Identität von Motoneuronen im RM durch Hox-Gene bestimmt

Hox-Expression wird im Neuralplattenstadium festgelegt

Induktion der Hox gene Expression durch verschiedene FGF-Konzentrationen 5 ng/ml FGF brachial 25 ng/ml FGF thorakal 125 ng/ml FGF lumbar 625 ng/ml FGF P

Jeder Muskel (50) wird von einer spezifischen Motoneurongruppe (pool) innerviert A brachial

Hox5/Hoxc8 bestimmen die Identität von Motoneuronpools (A/P) in LMCbrachial

Dorsoventrale Musterbildung

Dorsoventrale Musterbildung im Rückenmark

Das ventralisierende Signal aus dem Notochord ist ein sekretiertes Protein: sonic hedgehog (shh)

Sonic hedgehog (shh) Signaltransduktion

Shh reprimiert Pax3,7 > Pax6 Typ I Homöobox-Gene und induziert Typ II ...

Definition von Bereichen mit unterschiedlicher Homöodomänen-Genexpression In den unterschiedlichen Bereichen entstehen verschiedene ventrale Neuronen

Nicht nur die Konzentration sondern auch die Dauer ist wichtig Shh ist ein Morphogen „Identische Vorläuferzellen differenzieren in Abhängigkeit von der Konzentration eines Morphogens zu unterschiedlichen Zelltypen“ Nicht nur die Konzentration sondern auch die Dauer ist wichtig (Dessaud et al., (2007) Nature 450, 717-720)

Dorsalisierende Signale im ZNS

Im dorsalen Rückenmark entstehen Neuralleiste, Deckplatte (roof plate) und dorsale Interneuronen (C) Die Entstehung erfordert dorsalisierende induktive Signale. Bone morphogenetic proteins (BMPs) werden im epidermalen Ektoderm exprimiert und induzieren Neuralleiste (slug). Dorsale Interneuronen enstehen später unter dem Einfluß von Signalen (BMPs) aus der Deckplatte.

Musterbildung im dorsalen Rückenmark Unterschiedliche neuronale Phänotypen werden durch unterschiedliche Konzentrationen von BMPs (A) als auch selektiv durch verschiedene Mitglieder der BMP Familie induziert (B)

GDF-7 wird in der Deckplatte exprimiert. Im GDF-7 knockout verschwindet die mATH1- Expression und D1A Interneurone entstehen nicht. D1B Neurone sind nicht betroffen.

Eliminierung der Deckplatte durch Diphterietoxin-GDF7: Beweis dass die Entwicklung der dorsalen Interneurone D1A, D1B und D2 von Signalen aus der Deckplatte bestimmt wird.

Integration der A/P- und D/V Positionsinformation ektopisch shh shh ektopische dopaminerge Neuronen dopaminerge Neuronen serotoninerge Neuronen Motoneuronen

Musterbildung im Mittelhirn-Vorderhirn

Prosomeren im Mittel- und Vorderhirnbereich der Neuralplatte zu erkennen durch die Expression von Transkriptionsfaktoren

A/P und D/V Signale auch im Mittel-, Zwischen- und Telencephalon BMP in der MHB FGF Shh BMP Shh

Zusammenfassung I A/P Musterbildung durch Gradienten sekretierter Faktoren mit kaudalisierender Funktion (Vorderhirn Wnt, Rautenhirn Retinsäure, Rückenmark FGF) A/P Muster durch Hox-Gene im Rückenmark und Rautenhirn (durch FGF und Retinsäure induziert) D/V Musterbildung durch Gradienten sekretierter Faktoren (shh, BMPs) mit ventralisierender/dorsalisierender Funktion Identische D/V Signale im Rückenmark, Hinterhirn, Mittelhirn und Endhirn (shh, BMPs).

Zusammenfassung II D/V Muster durch Homöoprotein-Domänen (Pax6, Dlx ...) durch shh, BMPs induziert. Dorsale Signale aus Ektoderm, ventrale aus Mesoderm, später beide ins Neuroektoderm verlagert (Boden- und Deckplatte). D/V Signale kommen nach A/P Muster 3D-Koordinatensystem. das die regionale Identität definiert.

MHB ist ein ‚Signalzentrum‘ wie Bodenplatte/Deckplatte (FGF8 Applikation zeigt denselben Effekt)

BMPs sind für die Entstehung dorsaler Phänotypen im ZNS verantwortlich A) Frühes Stadium: B) Späteres Stadium: