Нейруляция: Формирование Нервной Трубки в Эмбриогенезе.

Введение

Эмбриологический процесс формирования нервной трубки

Нейруляция – это процесс складывания в эмбрионах позвоночных, включающий в себя трансформацию нервной пластинки в нервную трубку. Эмбрион на этой стадии называется нейрулой. Процесс начинается, когда хорда стимулирует формирование центральной нервной системы (ЦНС), посылая сигналы эктодермальному зародышевому листку, расположенному над ней, для образования толстой и плоской нервной пластинки. Нервная пластинка складывается внутрь, формируя нервную трубку, которая впоследствии дифференцируется в спинной мозг и головной мозг, в конечном итоге формируя центральную нервную систему. Компьютерное моделирование показало, что вклинивание клеток и дифференциальная пролиферация достаточны для нейруляции млекопитающих. Различные отделы нервной трубки формируются двумя различными процессами, называемыми первичной и вторичной нейруляцией, у разных видов. При первичной нейруляции нервная пластинка изгибается внутрь, пока ее края не соприкоснутся и не сливаются. При вторичной нейруляции трубка формируется путем выемки в теле твердого предшественника.

Первичная нейронная индукция

Концепция индукции возникла в работе Пандора в 1817 году. Первые эксперименты, доказывающие индукцию, были приписаны Виктором Гамбургером независимым открытиям Ганса Шпемана из Германии в 1901 году и Уоррена Льюиса из США в 1904 году. Именно Ганс Шпеман впервые популяризировал термин «первичная нейронная индукция» в отношении первой дифференцировки эктодермы в нейронную ткань во время нейруляции. Он назывался «первичной», поскольку считалось, что это первое индукционное событие в эмбриогенезе. Эксперимент, удостоенный Нобелевской премии, был проведен его ученицей Хильдой Мангольд. Последующие работы ученых на протяжении XX века показали, что не только спинная губа бластопоры может выступать в качестве индуктора, но и огромное количество других, казалось бы, не связанных между собой веществ. Это началось, когда было обнаружено, что вареная эктодерма все еще способна индуцировать, как показал Йоханнес Холтфретер. Такие разнообразные факторы, как низкий pH, циклический АМФ и даже пыль могли действовать как индукторы, вызывая значительное недоумение. Даже ткани, которые не могли индуцировать в живом состоянии, могли индуцировать после варки. Другие вещества, такие как свиной жир, воск, банановые шкурки и свернувшаяся кровь лягушки, не проявляли индуктивных свойств. Поиск химически основанной индукторной молекулы был подхвачен молекулярными биологами развития, и обширная литература о веществах, обладающих индукторными способностями, продолжала расти. В последнее время индукторную молекулу связывают с генами, и в 1995 году был сделан призыв к каталогизации всех генов, участвующих в первичной нейронной индукции, и всех их взаимодействий в попытке определить «молекулярную природу организатора Шпемана». В качестве индукторов также были исследованы несколько других белков и факторов роста, включая растворимые факторы роста, такие как морфогенетический белок кости, и необходимость в «ингибирующих сигналах», таких как ноггин и фоллистатин. Еще до популяризации термина «индукция» несколько авторов, начиная с Ганса Дриш в 1894 году, предположили, что первичная нейронная индукция может иметь механическую природу. Механохимическая модель первичной нейронной индукции была предложена в 1985 году Г. В. Бродландом и Р. Гордоном. Было показано, что фактическая физическая волна сокращения возникает из точного местоположения организатора Шпемана, а затем распространяется по предполагаемому нервному эпителию, и в 2006 году была предложена полная рабочая модель того, как происходит первичная нервная индукция. В этой области долгое время сохранялась общая несклонность рассматривать возможность того, что первичная нейронная индукция может быть инициирована механическими эффектами. Полное объяснение первичной нейронной индукции еще предстоит найти.

The concept of induction originated in work by Pandor in 1817. The first experiments proving induction were attributed by Viktor Hamburger to independent discoveries of both Hans Spemann of Germany in 1901 and Warren Lewis of the USA in 1904. It was Hans Spemann who first popularized the term “primary neural induction” in reference to the first differentiation of ectoderm into neural tissue during neurulation. It was called "primary" because it was thought to be the first induction event in embryogenesis. The Nobel prize winning experiment was done by his student Hilda Mangold. Subsequent work on inducers by scientists over the 20th century demonstrated that not only could the dorsal lip of the blastopore act as an inducer but so could a huge number of other seemingly unrelated items. This began when boiled ectoderm was found to still be able to induce by Johannes Holtfreter. Items as diverse as low pH, cyclic AMP, even floor dust could act as inducers leading to considerable consternation. Even tissue which could not induce when living could induce when boiled. Other items such as lard, wax, banana peels and coagulated frog’s blood did not induce. The hunt for a chemically based inducer molecule was taken up by developmental molecular biologists and a vast literature of items shown to have inducer abilities continued to grow. More recently, the inducer molecule has been attributed to genes and in 1995, there was a call for all the genes involved in primary neural induction and all their interactions to be catalogued in an effort to determine “the molecular nature of Spemann’s organizer”. Several other proteins and growth factors have also been invoked as inducers including soluble growth factors such as bone morphogenetic protein, and a requirement for “inhibitory signals” such as noggin and follistatin. Even before the term induction was popularized, several authors, beginning with Hans Driesch in 1894, suggested that primary neural induction might be mechanical in nature. A mechanochemical based model for primary neural induction was proposed in 1985 by G. W. Brodland and R. Gordon. An actual physical wave of contraction has been shown to originate from the precise location of the Spemann organizer which then traverses the presumptive neural epithelium and a full working model of how primary neural inductions was proposed in 2006. There has long been a general reluctance in the field to consider the possibility that primary neural induction might be initiated by mechanical effects. A full explanation for primary neural induction remains yet to be found.

Изменение формы

По мере прогрессирования нейруляции после индукции, клетки нейронной пластинки становятся высоко столбчатыми и могут быть идентифицированы под микроскопом, отличаясь от окружающей презумптивной эпителиальной эктодермы (эпибластической эндодермы у амниот). Клетки перемещаются латерально и от центральной оси, изменяясь в форму усеченной пирамиды. Эта пирамидальная форма достигается за счет тубулина и актина в апикальной части клетки, которая сужается в процессе движения. Изменчивость формы клеток частично определяется положением ядра внутри клетки, вызывая выпячивания в определенных областях, что изменяет высоту и форму клетки. Этот процесс известен как апикальное сужение. Результатом является уплощение дифференцирующейся нейронной пластинки, что особенно заметно у саламандр, когда ранее округлая гаструла превращается в округлый шар с плоской вершиной. См. Нейронная пластинка.

Складывание

Процесс складывания плоской нейронной пластинки в цилиндрическую нейронную трубку называется первичной нейруляцией. В результате изменения формы клеток нейронная пластинка формирует медиальную петлю (MHP). Расширяющийся эпидермис оказывает давление на MHP и вызывает сгибание нейронной пластинки, что приводит к образованию нервных складок и нервной бороздки. Нервные складки формируют дорсолатеральные петли (DLHP), и давление на эти петли заставляет нервные складки соприкасаться и сливаться по средней линии. Слияние требует регуляции молекул клеточной адгезии. Нейронная пластинка переключается с экспрессии E-кадгерина на экспрессию N-кадгерина и N-CAM, чтобы распознавать клетки друг друга как принадлежащие к одной и той же ткани и обеспечить закрытие трубки. Это изменение экспрессии прекращает связывание нейронной трубки с эпидермисом. Нотохорд играет ключевую роль в развитии нейронной трубки. До начала нейруляции, во время миграции эпибластических клеток эндодермы к гипобластической эндодерме, нотохордальный процесс открывается в дугу, называемую нотохордальной пластинкой, и прикрепляется к расположенному над нейроэпителию нейронной пластинки. Нотохордальная пластинка затем служит якорем для нейронной пластинки, поднимая два ее края вверх, при этом удерживая среднюю часть зафиксированной. Часть нотохордальных клеток включается в центральную часть нейронной пластинки, чтобы впоследствии сформировать напольную пластинку нейронной трубки. Нотохордальная пластинка отделяется и формирует полноценный нотохорд. Нарушение закрытия краниального (верхнего) и каудального (нижнего) нейропора приводит к состояниям, называемым аненцефалией и спиной бифидой соответственно. Кроме того, неполное закрытие нейронной трубки по всей длине тела приводит к состоянию, называемому рахисхизисом.

Оформление

Согласно модели «французского флага», где этапы развития направляются градиентами продуктов генов, несколько генов считаются важными для индукции паттернов в открытой нейронной пластинке, особенно для развития нейрогенных плакодов. Эти плакоды впервые обнаруживаются гистологически в открытой нервной пластинке. После того, как сигнализация соника геджа (SHH) из хорды вызывает ее формирование, подошвенная пластинка формирующейся нервной трубки также секретирует SHH. После закрытия нервная трубка формирует базальную или подошвенную пластинку и крышу или спинную пластинку в ответ на комбинированное воздействие SHH и факторов, включая BMP4, секретируемого крышей. Базальная пластинка формирует большую часть вентральной части нервной системы, включая моторный отдел спинного мозга и ствола мозга; спинная пластинка формирует дорсальные отделы, предназначенные главным образом для сенсорной обработки. Досальный эпидермис экспрессирует BMP4 и BMP7. Крыша нервной трубки реагирует на эти сигналы, экспрессируя больше BMP4 и других трансформирующих факторов роста бета (TGF β), чтобы сформировать дорсально-вентральный градиент в нервной трубке. Хорда экспрессирует SHH. Подошвенная пластинка реагирует на SHH, продуцируя собственный SHH и формируя градиент. Эти градиенты обеспечивают дифференциальную экспрессию факторов транскрипции.

Вторичная нейруляция

Первичная нейруляция переходит во вторичную нейруляцию, когда каудальный нейропор завершает закрытие. Полость спинного мозга распространяется в нервную трубку. При вторичной нейруляции нервная эктодерма и некоторые клетки энтодермы формируют спинной мозг. Спинной мозг уплотняется, разделяется и затем образует полости. Эти полости сливаются, формируя единую трубку. Вторичная нейруляция происходит в заднем отделе большинства животных, но наиболее выражена у птиц. Трубки, образованные в результате первичной и вторичной нейруляции, в конечном итоге соединяются примерно на шестой неделе развития. У человека механизмы вторичной нейруляции играют важную роль, учитывая их влияние на правильное формирование заднего отдела спинного мозга. Ошибки на любом этапе этого процесса могут приводить к проблемам. Например, сохранение спинного мозга происходит из-за частичной или полной остановки вторичной нейруляции, что создает нефункциональный сегмент на остаточном конце.

Раннее развитие мозга

Передняя часть нервной трубки формирует три основные части мозга: передний мозг (просенцефалон), средний мозг (мезенцефалон) и задний мозг (ромбенцефалон). Эти структуры первоначально появляются сразу после закрытия нервной трубки в виде выпячиваний, называемых мозговыми везикулами, в соответствии с паттерном, заданным генами, определяющими передне-заднюю ось, включая гены Hox, другие факторы транскрипции, такие как гены Emx, Otx и Pax, а также секретируемые сигнальные факторы, такие как факторы роста фибробластов (FGF) и Wnt. Эти мозговые везикулы далее делятся на субрегионы. Просенцефалон дает начало теленцефалону и диэнцефалону, а ромбенцефалон – метэнцефалону и миеленцефалону. Задний мозг, являющийся эволюционно наиболее древней частью мозга хордовых, также делится на различные сегменты, называемые ромбомерами. Ромбомеры формируют многие из важнейших нейронных цепей, необходимых для жизни, включая те, которые контролируют дыхание и частоту сердечных сокращений, и производят большинство черепных нервов.

Ненейроэктодермальная ткань

Параксиальная мезодерма, окружающая нотохорду с боковых сторон, развивается в сомиты (будущие мышцы и кости, а также участвует в формировании конечностей позвоночных).

Нейронные клетки

Массы тканей, называемые нервным гребнем, расположенные на самых краях латеральных пластинок складывающейся нервной трубки, отделяются от нервной трубки и мигрируют, чтобы образовать разнообразные, но важные клетки. Клетки нервного гребня мигрируют по всему эмбриону и дают начало нескольким клеточным популяциям, включая пигментные клетки и клетки периферической нервной системы.

Дефекты нервной трубки

Нарушение нейруляции, особенно неполное закрытие нервной трубки, относится к числу наиболее распространенных и тяжелых врожденных дефектов у человека, возникающих примерно в 1 из 500 живорождений. Несрастание рострального конца нервной трубки приводит к аненцефалии, или отсутствию развития головного мозга, и чаще всего является смертельным. Несрастание каудального конца нервной трубки вызывает состояние, известное как спина бифида, при котором не происходит закрытия спинного мозга.