Невруляция

Нейруляция относится к процессу сворачивания эмбрионов позвоночных , который включает преобразование нервной пластинки в нервную трубку . [1] Эмбрион на этой стадии называется нейрулой .

Невруляция
2912 Neurulation-02.jpg
Поперечные срезы, которые показывают продвижение нервной пластинки к нервной борозде снизу вверх.
Идентификаторы
MeSHD054261
Анатомическая терминология
[ редактировать в Викиданных ]

Процесс начинается, когда хорда вызывает формирование центральной нервной системы (ЦНС), сигнализируя зародышевому слою эктодермы над ней, чтобы сформировать толстую и плоскую нервную пластинку . Нервная пластинка складывается сама по себе, образуя нервную трубку , которая позже дифференцируется на спинной и головной мозг , в конечном итоге формируя центральную нервную систему. [2] Компьютерное моделирование показало, что расклинивание клеток и дифференциальная пролиферация достаточны для нейруляции млекопитающих. [3]

Различные части нервной трубки формируются двумя разными процессами, называемыми первичной и вторичной нейруляцией, у разных видов. [ необходима цитата ]

  • При первичной нейруляции нервная пластинка сгибается внутрь, пока края не соприкоснутся и не срастутся.
  • При вторичной нейруляции трубка формируется путем выхода изнутри твердого предшественника.

Поперечный разрез эмбриона позвоночного на стадии нейрулы
"> File:Neurulation in 3D.ogvВоспроизвести медиа
Описание процесса нейруляции в трех измерениях.

Первичная нейронная индукция

Концепция индукции возникла в работе Пандора в 1817 году. [4] Первые эксперименты, доказывающие индукцию, были приписаны Виктором Гамбургером [5] независимым открытиям Ганса Спемана из Германии в 1901 году [6] и Уоррена Льюиса из США в 1904. [7] Это был Шпеман , который первым популяризировал термин «первичная нейронная индукции» по отношению к первой дифференцировке эктодермы в нервную ткань во время нейруляции. [8] [9] Это было названо «первичным», потому что считалось первым индукционным событием в эмбриогенезе. Эксперимент, получивший Нобелевскую премию, был проведен его ученицей Хильдой Мангольд . [8] Эктодерма из области дорсальной губы бластопора развивающегося эмбриона саламандры была трансплантирована другому эмбриону, и эта ткань «организатор» «индуцировала» образование полной вторичной оси, изменяя окружающую ткань в исходном эмбрионе с эктодермальной на нервная ткань. Таким образом, ткань донорского эмбриона была названа индуктором, поскольку она вызывала изменение. [8] Важно отметить, что хотя организатором является дорсальная губа бластопора, это не один набор клеток, а, скорее, постоянно меняющаяся группа клеток, которые мигрируют по дорсальной губе бластопора, образуя суженную на вершине бутылку. клетки. В любой момент времени во время гаструляции организатором будут разные клетки. [10]

Последующая работа ученых ХХ века над индукторами показала, что индуктором может выступать не только дорсальная губа бластопора, но и огромное количество других, казалось бы, не связанных между собой предметов. Это началось, когда Йоханнес Хольтфретер обнаружил, что вареная эктодерма все еще может вызывать . [11] Такие разнообразные предметы, как низкий pH, циклический АМФ, даже пыль с пола, могут действовать как индукторы, вызывающие сильное беспокойство. [12] Даже ткань, которая не могла образоваться при жизни, могла образоваться при кипячении. [13] Другие предметы, такие как сало, воск, банановая кожура и свернувшаяся кровь лягушки, не вызывали. [14] Охота на химическую молекулу-индуктор была занята молекулярными биологами, занимающимися вопросами развития, и обширная литература, посвященная предметам, обладающим индукторными способностями, продолжала расти. [15] [16] Совсем недавно молекула-индуктор была приписана генам, и в 1995 году прозвучал призыв к каталогизации всех генов, участвующих в первичной нервной индукции, и всех их взаимодействий, чтобы определить «молекулярную природу болезни Спемана». организатор ». [17] Некоторые другие белки и факторы роста также использоваться в качестве индукторов , включая растворимые факторы роста , такие как костный морфогенетический белок , а также требование для «ингибирующих сигналов» , таких как башке и фоллистатин .

Еще до того, как термин «индукция» был популяризирован, несколько авторов, начиная с Ганса Дриша в 1894 г. [18], предположили, что первичная нервная индукция может иметь механическую природу. Модель первичной нервной индукции, основанная на механохимии, была предложена в 1985 году Brodland & Gordon . [19] Было показано, что реальная физическая волна сокращения происходит из точного местоположения организатора Спемана, который затем проходит через предполагаемый нейральный эпителий [20], и полная рабочая модель того, как первичная нервная индукция была предложена в 2006 году [21]. [22] В этой области долгое время существовало общее нежелание рассматривать возможность того, что первичная нейронная индукция может быть инициирована механическими воздействиями. [23] Полное объяснение первичной нейронной индукции еще предстоит найти.

Изменение формы

Поскольку нейруляция продолжается после индукции, клетки нервной пластинки становятся высокостолбчатыми и могут быть идентифицированы с помощью микроскопии как отличные от окружающей презумптивной эпителиальной эктодермы ( эпибластической энтодермы у амниот). Клетки перемещаются в стороны и от центральной оси и принимают форму усеченной пирамиды. Эта форма пирамиды достигается за счет тубулина и актина в апикальной части клетки, которая сужается при движении. Изменение формы клеток частично определяется расположением ядра внутри клетки, вызывая выпуклость в областях клеток, что приводит к изменению высоты и формы клетки. Этот процесс известен как апикальное сужение . [24] [25] Результатом является уплощение дифференцирующей нервной пластинки, что особенно заметно у саламандр, когда ранее округлая гаструла превращается в округлый шар с плоской вершиной. [26] См. Нервная пластинка.

Складной

Процесс складывания плоской нервной пластинки в цилиндрическую нервную трубку называется первичной нейруляцией . В результате изменения клеточной формы нервная пластинка образует медиальную точку шарнира (MHP). Расширяющийся эпидермис оказывает давление на MHP и заставляет нервную пластинку складываться, что приводит к нервным складкам и образованию нервной борозды . Нервные складки образуют дорсолатеральные шарнирные точки (DLHP), и давление на этот шарнир заставляет нервные складки встречаться и сливаться по средней линии. Слияние требует регуляции молекул клеточной адгезии. Нервная пластинка переключается с экспрессии E-кадгерина на экспрессию N-кадгерина и N-CAM, чтобы распознавать друг друга как одну и ту же ткань и закрывать трубку. Это изменение экспрессии останавливает связывание нервной трубки с эпидермисом. Складывание нервной пластинки - сложный этап. [ необходима цитата ]

Хорда играет важную роль в развитии нервной трубки. Перед нейруляцией, во время миграции клеток эпибластной энтодермы к гипобластической энтодерме, хордовый отросток открывается в дугу, называемую хордальной пластинкой, и прикрепляет вышележащий нейроэпителий нервной пластинки. Затем хордальная пластинка служит якорем для нервной пластинки и подталкивает два края пластинки вверх, удерживая при этом среднюю часть. Некоторые из нотходральных клеток включаются в центральную часть нервной пластинки, чтобы позже сформировать пластинку дна нервной трубки. Пластина хорды отделяется и образует твердую хорду. [ необходима цитата ]

Сворачивание нервной трубки в настоящую трубку не происходит сразу. Вместо этого он начинается примерно на уровне четвертого сомита на стадии 9 Карнеги (около 20-го дня эмбриона у человека ). Боковые края нервной пластинки соприкасаются по средней линии и соединяются вместе. Это продолжается как краниально (к голове), так и каудально (к хвосту). Отверстия, которые образуются в краниальной и каудальной областях, называются краниальными и каудальными нейропорами . У человеческих эмбрионов краниальные нейропоры закрываются примерно на 24 день, а каудальные нейропоры - на 28 день. [27] Неспособность закрытия краниальных (верхних) и каудальных (нижних) нейропор приводит к состояниям, называемым анэнцефалией и расщелиной позвоночника , соответственно. Кроме того, неспособность нервной трубки закрыться по всей длине тела приводит к состоянию, называемому рахишизисом . [28]

Узор

Поперечный разрез нервной трубки, показывающий пластину пола и пластину крыши.

Согласно модели французского флага, где стадии развития управляются градиентами генных продуктов, несколько генов считаются важными для индукции паттернов в открытой нервной пластинке, особенно для развития нейрогенных плакод . Эти плакоды впервые становятся очевидными гистологически в открытой нервной пластинке. После того, как передача сигналов sonic hedgehog (SHH) от хорды индуцирует его образование, нижняя пластинка зарождающейся нервной трубки также секретирует SHH. После закрытия нервная трубка образует базальную или нижнюю пластину и крышу или крыловую пластину в ответ на комбинированные эффекты SHH и факторов, включая BMP4, секретируемые кровельной пластиной. Базальная пластинка образует большую часть вентральной части нервной системы, включая двигательную часть спинного мозга и ствол головного мозга; пластинка крыльев формирует спинные части, предназначенные в основном для сенсорной обработки. [29]

Дорсальный эпидермис экспрессирует BMP4 и BMP7 . Верхняя пластинка нервной трубки реагирует на эти сигналы экспрессией большего количества сигналов BMP4 и другого трансформирующего фактора роста бета (TGF-β) с образованием дорсального / вентрального градиента между нервной трубкой. Нотохорд выражает SHH. Плита пола реагирует на SHH, создавая свою собственную SHH и образуя градиент. Эти градиенты учитывают дифференциальную экспрессию факторов транскрипции. [29]

Сложности модели

Закрытие нервной трубки до конца не изучено. Закрытие нервной трубки зависит от вида. У млекопитающих закрытие происходит путем встречи в нескольких точках, которые затем закрываются вверх и вниз. У птиц закрытие нервной трубки начинается в одной точке среднего мозга и движется вперед и назад. [30] [31]

Вторичная нейруляция

Первичная нейруляция перерастает во вторичную нейруляцию, когда каудальные нейропоры окончательно закрываются. Полость спинного мозга переходит в нервный канатик. [32] При вторичной нейруляции нервная эктодерма и некоторые клетки энтодермы образуют костномозговой канатик . Медуллярный шнур уплотняется, отделяется и затем образует полости. [33] Эти полости затем сливаются, образуя единую трубку. Вторичная нейруляция происходит в заднем отделе у большинства животных, но у птиц она лучше выражена. Трубки первичной и вторичной нейруляции в конечном итоге соединяются примерно на шестой неделе развития. [34]

У людей механизмы вторичной нейруляции играют важную роль, учитывая их влияние на правильное формирование заднего спинного мозга человека. Ошибки на любом этапе процесса могут привести к проблемам. Например, задержка спинного мозга возникает из-за частичной или полной остановки вторичной нейруляции, которая создает нефункциональную часть на рудиментарном конце. [35]

Передняя часть нервной трубки образует три основные части мозга: при регистрации переднего мозга ( передний мозг ), средний мозг ( мезенцефалон ) и задний мозг ( ромбовидный ). [36] Эти структуры первоначально появляются сразу после закрытия нервной трубки в виде выпуклостей, называемых мозговыми пузырьками, в паттерне, определяемом передне-задними генами формирования паттерна, включая Hox-гены , другие факторы транскрипции, такие как гены Emx, Otx и Pax, и секретируемые сигнальные факторы, такие как как факторы роста фибробластов (FGF) и Wnts . [37] Эти мозговые пузырьки делятся на части. Передний мозг приводит к телэнцефалону и диэнцефалону , а ромбовидный генерирует задний мозг и продолговатый мозг . Задний мозг, который является эволюционно наиболее древней частью хордового мозга, также делится на различные сегменты, называемые ромбомерами . Ромбомеры генерируют многие из наиболее важных нервных цепей, необходимых для жизни, в том числе те, которые контролируют дыхание и частоту сердечных сокращений, а также производят большую часть черепных нервов . [36] Клетки нервного гребня образуют ганглии над каждым ромбомером. Ранняя нервная трубка в основном состоит из зародышевого нейроэпителия , позже названного желудочковой зоной , который содержит первичные нервные стволовые клетки, называемые радиальными глиальными клетками, и служит основным источником нейронов, образующихся в процессе развития мозга в процессе нейрогенеза . [38] [39]

Параксиальная мезодерма, окружающая хорду по бокам, разовьется в сомиты (будущие мышцы, кости и способствует формированию конечностей позвоночного ). [40]

Масса ткани, называемая нервным гребнем, которая расположена на самых краях боковых пластинок складывающейся нервной трубки, отделяется от нервной трубки и мигрирует, чтобы стать множеством различных, но важных клеток. [ необходима цитата ]

Клетки нервного гребня будут мигрировать через эмбрион и давать начало нескольким популяциям клеток, включая пигментные клетки и клетки периферической нервной системы. [ необходима цитата ]

Нарушение нейруляции, особенно нарушение закрытия нервной трубки, являются одними из наиболее распространенных и приводящих к инвалидности врожденных дефектов у людей, которые встречаются примерно у 1 из каждых 500 живорождений. [41] Неспособность закрыться ростральным концом нервной трубки приводит к анэнцефалии или отсутствию развития мозга, что чаще всего приводит к летальному исходу. [42] Неспособность закрыть хвостовой конец нервной трубки вызывает состояние, известное как расщепление позвоночника , при котором спинной мозг не закрывается. [43]

  • Волны эмбриональной дифференциации
  • Нервная складка
  • Нервная пластинка
  • Нервный гребень

  1. ^ Ларсен WJ. Эмбриология человека. Третье изд. 2001. P 86. ISBN  0-443-06583-7
  2. ^ «Глава 14. Гаструляция и невруляция» . biology.kenyon.edu . Проверено 2 февраля +2016 .
  3. ^ Нильсен, Бьярке Фрост; Ниссен, Сайлас Бойе; Снеппен, Ким; Матизен, Иоахим; Трусина, Ала (21 февраля 2020 г.). «Модель связи формы и полярности клеток с органогенезом» . iScience . 23 : 100830. дои : 10.1016 / j.isci.2020.100830 .
  4. ^ Тидеманн, Х. Химический подход к вызывающим агентам. В: О. Накамура и С. Тойвонен (ред.), Организатор - Веха полувека от Spemann, Амстердам: Elsevier / North Holland Biomedical Press, с. 91–117. 1978
  5. ^ Гамбург, V .. Наследие экспериментальной эмбриологии: Ганс Спеманн и организатор. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. 1988 г.
  6. ^ Spemann, H. Über Korrelationen in der Entwicklung des Auges / О корреляциях в развитии глаза. Верх. анат. Ges. Jena 15, 61-79. 1901 г.
  7. ^ Льюис, WH Экспериментальные исследования развития глаза у земноводных. I. О происхождении линзы у Rana palustris. Амер. J. Anat. 3, 505-536. 1904 г.
  8. ^ a b c Спеманн, Х. и Х. Мангольд, Über Induktion von Embryonalanlagen durch Implantation artfremder Organisatoren / Об индукции зачатка эмбриона путем имплантации организаторов других видов. Архив микроскоп. Анат. Entwicklungsmech. 100, 599-638 1924 г.
  9. ^ Спеманн, Х. и Х. Мангольд 1924: индукция эмбриональных зачатков путем имплантации организаторов из разных видов. В: BH Willier & JM Oppenheimer (ред.), Основы экспериментальной эмбриологии, (перевод 1964 г.), Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, p. 144–184
  10. ^ Гордон, Р. К. Björklund и PD Nieuwkoop. Диалог о волнах эмбриональной индукции и дифференцировки. Int. Rev. Cytol. 150, 373-420. 1994 г.
  11. ^ Holtfreter, J. Eigenschaften und Verbreitung Induzierender Stoffe / Характеристики и распространение индуцирующих веществ. Naturwissenschaften 21, 766-770. 1933 г.
  12. ^ Twitty, VC, ученых и саламандры Freeman, СанФранциско, CA.1966
  13. ^ Spemann, H., FG Fischer & E. Wehmeier Fortgesetzte Versuche zur Analyze der Induktionsmittel in der Embryonalentwicklung / Продолжающиеся попытки анализа причин индукции в эмбриональном развитии. Natuwissenschaften 21, 505-506. 1933 г.
  14. Перейти ↑ Weiss, PA. Так называемый организатор и проблема организации в развитии амфибий. Physiol. Ред. 15 (4), 639-674. 1935 г.
  15. ^ Де Робертис, EM, М. Блюм, К. Нирс и Х. Штайнбайссер, гусекоид и организатор. Развитие (Дополнение), 167-171. 1992 г.
  16. ^ Hahn, M. & H. Jäckle Drosophila goosecoid участвует в нервном развитии, но не в формировании оси тела. EMBO J. 15 (12), 3077-3084. 1996 г.
  17. ^ Де Робертис, Е. М. Разборка органайзера. Nature 374 (6521), 407-408. 1995 г.
  18. ^ Дриш, HAE. Analytische Theorie der Organischen Entwicklung / Аналитическая теория органического развития. Лейпциг: Verlag Von Wilhelm Engelman. 1984
  19. ^ Гордон, Р. Бродланд, GW. Цитоскелетная механика морфогенеза мозга: расщепители состояний клеток вызывают первичную нервную индукцию. Gell Biophys. 11: 177-238. (1987)
  20. ^ Brodland, GW »Гордон, R, Скотт MJ, Bjorklund NK, Лучка KB, Мартин, CC, Matuga, C., Globus, M., Vethamany-Globus S. и Shu, D. Волна сокращения борозды, совпадающая с первичной нервной системой. индукция у эмбрионов амфибий. J Morphol. 219: 131-142. 1994 г.
  21. ^ Гордон, Н.К., Гордон Р. Органелла дифференцировки в эмбрионах: расщепитель состояния клеток Theor Biol Med Model (2016) 13: 11. https://doi.org/10.1186/s12976-016-0037-2
  22. ^ Björklund, NK, Gordon, R Гипотеза, связывающая низкое потребление фолиевой кислоты с дефектами нервной трубки из-за отказа посттрансляционного метилирования цитоскелета International Journal of Developmental Biology 50 (2-3), 135-141
  23. ^ Гордон, Р. Иерархический геном и волны дифференциации: новое объединение развития, генетики и эволюции Сингапур и Лондон, World Scientific & Imperial College Press, 1999, Глава 2, стр. 69-93
  24. ^ Бернсайд. МБ Микрорубулы и микрофиламенты в нейруляции амфибий. Али. Zool. 13, 989-1006 1973
  25. Перейти ↑ Jacobson, AG & R. Gordon. Изменения формы развивающейся нервной системы позвоночных проанализированы экспериментально, математически и с помощью компьютерного моделирования. J. Exp. Zool. 197, 191-246. 1973
  26. ^ Bordzilovskaya, Н.П., Т.А. Детлаф, СТ Духон & ГМ Malacinski (1989). Серии стадий развития эмбрионов аксолотлей [Ошибка: таблица стадий 19-1 для 20 ° C, а не 29 ° C]. В: JB Armstrong & GM Malacinski (ред.), Биология развития аксолотлей, Нью-Йорк: Oxford University Press, стр. 201-219.
  27. ^ Неврологическая хирургия Юмана, H Ричард Винн, 6-е изд. Том 1, стр. 81, 2011 г. Эльзевьер Сондерс, Филадельфия, Пенсильвания
  28. ^ Гилберт, СФ (2000). «12: Формирование нервной трубки» . Биология развития (6 изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-243-6. Проверено 30 ноября 2011 года .
  29. ^ а б Гилберт, СФ (2013). «10: Появление эктодермы» . Биология развития (10-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-978-7. Проверено 22 марта 2015 года .
  30. ^ Golden JA, Chernoff G F. Прерывистый паттерн закрытия нервной трубки у двух линий мышей. Тератология. 1993; 47: 73–80.
  31. ^ Ван Аллен М.И., 15 других Доказательства многосайтового закрытия нервной трубки у людей. Являюсь. J. Med. Genet. 1993; 47: 723–743.
  32. ^ [1]
  33. ^ Формирование книжной полки NCBI по биологии развития нервной трубки
  34. ^ Симокита, Э; Такахаши, Y (апрель 2011 г.). «Вторичная нейруляция: картирование судьбы и генные манипуляции нервной трубки в хвостовой зачатке» . Развитие, рост и дифференциация . 53 (3): 401–10. DOI : 10.1111 / j.1440-169X.2011.01260.x . PMID  21492152 .
  35. ^ Пан, Дачлинг; Зовицкян, Джон (2011). « « Сохранение спинного мозга у человека: поздняя остановка вторичной нейруляции » » . Нейрохирургия . 68 (6): 1500–19. DOI : 10.1227 / NEU.0b013e31820ee282 . Проверено 19 ноября 2020 .
  36. ^ а б Гилберт, Скотт Ф .; Колледж, Суортмор; Хельсинкский университет (2014 г.). Биология развития (Десятое изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer. ISBN 978-0878939787.
  37. ^ Эрик Р. Кандел, изд. (2006). Принципы неврологии (5-е изд.). Эпплтон и Ланге: Макгроу Хилл. ISBN 978-0071390118.
  38. ^ Ракич, П. (октябрь 2009 г.). «Эволюция неокортекса: взгляд из биологии развития» . Обзоры природы. Неврология . 10 (10): 724–35. DOI : 10.1038 / nrn2719 . PMC  2913577 . PMID  19763105 .
  39. ^ Дехай, К; Кеннеди, H (июнь 2007 г.). «Контроль клеточного цикла и развитие коры головного мозга». Обзоры природы. Неврология . 8 (6): 438–50. DOI : 10.1038 / nrn2097 . PMID  17514197 . S2CID  1851646 .
  40. ^ Параксиальная мезодерма: сомиты и их производные Книжная полка NCBI, 6-е издание биологии развития. Доступ: 29 ноября 2017 г.
  41. ^ Дейли, Даррел. Формирование нервной системы. Архивировано 3 января 2008 г. в Wayback Machine . Последний доступ 29 октября 2007 г.
  42. ^ Справка, Genetics Home. «Анэнцефалия» . Домашний справочник по генетике . Проверено 2 марта 2020 .
  43. ^ CDC (31 августа 2018 г.). "Факты о Spina Bifida | CDC" . Центры по контролю и профилактике заболеваний . Проверено 2 марта 2020 .

  • Almeida, Karla L .; и другие. (2010). «Нейронная индукция» . В Хеннинге, Ульрихе (ред.). Перспективы стволовых клеток: от инструментов для изучения механизмов дифференцировки нейронов к терапии . Springer. ISBN 978-90-481-3374-1.
  • Basch, Martín L .; Боннер-Фрейзер, Марианна (2006). «Сигналы, индуцирующие нервный гребень» . В Сен-Женне, Жан-Пьер (ред.). Индукция и дифференцировка нервного гребня . Springer. ISBN 978-0-387-35136-0.
  • Харланд, Ричард М. (1997). «Нейронная индукция у Xenopus » . В Cowan, W. Maxwell (ред.). Молекулярные и клеточные подходы к нервному развитию . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-511166-8.
  • Ladher, Raj; Schoenwolf, Гэри С. (2004). «Изготовление нервной трубки» . В Якобсоне, Маркус; Рао, Махендра С. (ред.). Возрастная нейробиология . Springer. ISBN 978-0-306-48330-1.
  • Тиан, Цзин; Сампатх, Каруна (2004). «Формирование и функции плиты перекрытия». В Гун, Чжиюань; Корж, Владимир (ред.). Развитие и генетика рыб: модели рыбок данио и медака . World Scientific. С.  123 , 139–140 . ISBN 978-981-238-821-6.
  • Чжан, Су-Чун (2005). «Нейронная спецификация из эмбриональных стволовых клеток человека» . In Odorico, John S .; и другие. (ред.). Эмбриональные стволовые клетки человека . Наука о гирляндах. ISBN 978-1-85996-278-7.

  • Обзор на uvm.edu
  • Нейруляционная анимация