Развитие нервной пластинки и формирование нервной трубки.

Введение

Нейронная пластинка – ключевая структура развития, служащая основой для нервной системы. Краниальнее от примитивного узла эмбриональной первичной полоски эктодермальная ткань утолщается и уплощается, формируя нейронную пластинку. Область, расположенная перед примитивным узлом, обычно именуется нейронной пластинкой. В процессе этого клетки приобретают столбчатую форму, продолжая удлиняться и сужаться. Концы нейронной пластинки, известные как нейронные складки, поднимают и сводят концы пластинки вместе, образуя нейронную трубку – структуру, критически важную для развития головного и спинного мозга. Весь этот процесс называется первичной нейруляцией. Сигнальные белки также играют важную роль в развитии нейронной пластинки, способствуя дифференцировке ткани, из которой она формируется. Примерами таких белков являются костные морфогенетические белки и кадгерины. Экспрессия этих белков необходима для формирования нейронной пластинки и последующего образования нейронной трубки.

Вовлечение в первичную нейруляцию

Процесс первичной нейруляции, обычно разделенный на четыре этапа, включает в себя нервную пластинку на первых трех этапах. Формирование и сгибание нейронной пластинки является первым шагом в первичной нейруляции. За этим следует уточнение и рост клеток нейронной пластинки. Третий этап первичной нейруляции не включает саму нервную пластинку, а скорее края нейронной пластинки, которые сближаются, превращая пластинку в начало нейронной трубки. После того как нейронная пластинка свернулась в трубку, нейронные складки соединяются, чтобы завершить слияние нейронной трубки. Этот процесс иллюстрирован на рисунке справа, где нейронная пластинка показана фиолетовым цветом. Лимонно-зеленый цвет отмечает края нейронной пластинки, которые становятся нейронными складками, участвующими в сгибании пластинки для создания нейронной трубки. На рисунке показано развитие нейронной пластинки в нейронную трубку, из которой также происходят клетки нервного гребня. Существует четыре стадии формирования нейронной пластинки и нейронной трубки: формирование, изгиб, конвергенция и закрытие. Формирование нейронной пластинки начинается, когда дорсальная мезодерма посылает сигналы эктодермальным клеткам, расположенным над ней, заставляя их удлиняться и приобретать столбчатую форму. Эта отличная форма отличает клетки предполагаемой нейронной пластинки от других клеток предэпидермиса. Если нейронную пластинку отделить самостоятельно, она все равно будет развиваться, образуя более тонкую пластинку, но не сформирует нейронную трубку. Если изолировать область, содержащую предполагаемый эпидермис и ткань нейронной пластинки, образуются небольшие нейронные складки. Удлинение, происходящее в процессе формирования нейронной пластинки и закрытия нейронной трубки, имеет решающее значение; области закрытия нейронной трубки демонстрируют значительно повышенную активность удлинения по средней линии по сравнению с уже закрытыми областями, когда пластинка начала формироваться в трубку. Взаимодействие между нейронной пластинкой и хордой является важным для последующей индукции и формирования нейронной трубки. Закрытие нейронной трубки завершается, когда нейронные складки сближаются и прикрепляются друг к другу. Клетки, которые остаются в составе нейронной трубки, формируют мозг и спинной мозг, в то время как другие клетки, которые были частью нейронной пластинки, мигрируют от трубки в виде клеток нервного гребня. После эпителиально-мезенхимального перехода эти клетки формируют автономную нервную систему и определенные клетки периферической нервной системы.

Generally divided into four, the process of primary neurulation involves the neural plate in the first three steps. The formation and folding of the neural plate is the first step in primary neurulation. This is followed by the refinement and growth of neural plate cells. The third step of primary neurulation does not involve the neural plate per se, but rather the edges of the neural plate, which come together, turning the plate into the start of the neural tube. With the neural plate having folded into a tube, the neural folds come together to complete the fusion of the neural tube. This process is illustrated in the figure to the right, where the neural plate is shown in purple. The lime green marks the edges of the neural plate, which become the neural folds, involved in the folding of the plate to create the neural tube. The figure demonstrates the development of the neural plate into the neural tube, which is where the neural crest cells are derived from as well. There are four stages of neural plate and neural tube formation: formation, bending, convergence, and closure. The formation of the neural plate starts when dorsal mesoderm signals ectodermal cells above it to lengthen into columnar neural plate cells. This different shape distinguishes the cells of the presumptive neural plate from other pre epidermal cells. If the neural plate is separated by itself, it will still develop to make a thinner plate but will not form a neural tube. If the region containing presumptive epidermis and neural plate tissue is isolated, small neural folds will form. Elongation that occurs throughout the formation of the neural plate and closure of the neural tube is vital; the closing areas of the neural tube
are seen to have very increased elongation activity in the midline compared to already closed areas when the plate was beginning to shape itself into a tube. The communication between the neural plate and the notochord is important for the future induction and formation of the neural tube. Closure of the neural tube is completed when the neural folds are brought together, adhering to each other. While the cells that remain as the neural tube form the brain and spinal cord, the other cells that were part of the neural plate migrate away from the tube as neural crest cells. After an epithelial–mesenchymal transition, these cells form the autonomic nervous system and certain cells of the peripheral nervous system.

Сигнализация клеток и основные белки

Критически важным для правильного формирования и функционирования нейронной пластинки является N-кадгерин – тип белка кадгерина, ассоциированный с нервной системой. N-кадгерин необходим для удержания клеток нейронной пластинки вместе. Кроме того, клетки, предназначенные для развития в клетки нейронной пластинки, экспрессируют молекулу адгезии нервных клеток (NCAM) для усиления сплоченности нейронной пластинки. Другой кадгерин, E-кадгерин, экспрессируется эктодермальными клетками в процессе развития нейронной пластинки. Спецификаторы границы нейронной пластинки индуцируются набором факторов транскрипции. Distalless 5, PAX3 и PAX7 предотвращают превращение пограничной области либо в нейронную пластинку, либо в эпидермис. Когда нейронная пластинка начинает сгибаться, ростральные области нейронной пластинки не экспрессируют белки Pax3 и MSX. В областях каудальнее места закрытия нервной трубки экспрессия PAX3 и MSX ограничена латеральными областями нервных складок. Эта гибкость обеспечивает поворот и шарнирное соединение, что позволяет нейронной пластинке изгибаться и подниматься при формировании нервной трубки. Нейронная пластинка должна быть достаточно жесткой для осуществления морфогенных движений, но при этом достаточно гибкой, чтобы претерпевать изменения формы и положения при трансформации в нервную трубку.

Другие животные

Нейронная трубка закрывается по-разному у разных видов, при этом различия между человеком и курицей являются одними из наиболее изученных. У человека нервная трубка срастается из центральной области эмбриона, двигаясь к периферии. У кур закрытие нервной трубки начинается в области будущего среднего мозга и происходит в обоих направлениях. Края нервной пластинки поднимаются в дорсальном направлении и складываются к средней линии, формируя нервную трубку. Площадь апикальной поверхности уменьшается. В эмбрионах курицы, в то время как длина нервной пластинки увеличивается, а апикальная ширина уменьшается, толщина пластинки существенно не меняется. По мере прохождения нервной пластинки через стадии Гамбургера-Гамильтона, она утолщается примерно до стадии HH6-7, после чего начинает сворачиваться в трубку. В отличие от эмбрионов амфибий, площадь апикальной поверхности увеличивается в процессе нейруляции.

Маркировка клеток

Процесс гибридизации in situ (ISH) следует за маркировкой последовательности ДНК или РНК для использования в качестве антисенсового мРНК-зонда, комплементарного последовательности мРНК внутри эмбриона. Маркировка флуоресцентным красителем или радиоактивной меткой позволяет визуализировать зонд и его локализацию внутри эмбриона. Эта техника полезна, поскольку позволяет выявить специфические области экспрессии генов в ткани, а также во всем эмбрионе посредством цельноэмбрионной гибридизации in situ. Этот метод часто используется для определения экспрессии генов, необходимой для нормального развития эмбриона. Маркировка определенных генов в развивающемся эмбрионе позволяет установить точное время и место активации гена, предоставляя информацию о роли этого гена в развитии. Подобно процессу гибридизации in situ, иммунофлуоресценция (IF) также позволяет определить роль конкретных клеточных элементов в развитии. Однако, в отличие от гибридизации in situ, иммунофлуоресценция использует флюорофор, присоединенный к антителу, нацеленному на биомолекулярную мишень, такую как белки, а не на последовательности ДНК и РНК. Это позволяет визуализировать биомолекулярные компоненты клетки. В изучении эмбриогенеза иммунофлуоресценция может использоваться для целей, аналогичных гибридизации, для отслеживания белков, участвующих в развитии эмбриона, и определения конкретного времени и места их производства и использования. Современные исследования расширили возможности техники иммунофлуоресценции, объединив ее с методами гибридизации in situ, как флуоресцентными, так и радиоактивными. Считается, что такая комбинация повышает специфичность и устраняет ограничения каждой отдельной методики. Например, этот метод улучшает контрастное окрашивание в ткани и позволяет проводить множественную маркировку белков. Эксперименты по трансплантации, проведенные на эмбрионах Ксенопуса и курицы, показали способность нейронной пластинки индуцировать другие области клеток, включая преплакодальную область – группу эктодермальных клеток, необходимых для функционирования органов чувств.

The process of in situ hybridization (ISH) follows the labeling of a DNA or RNA sequence to serve as an antisense mRNA probe, complementary to a sequence of mRNA within the embryo. Labeling with a fluorescent dye or radioactive tag allows for the visualization of the probe and their location within the embryo. This technique is useful as it reveals specific areas of gene expression in a tissue as well as throughout an entire embryo through whole mount in situ hybridization. This technique is often used in determination of gene expression necessary for the proper development of the embryo. Marking certain genes in a developing embryo allows for the determination of the exact time and place in which the gene is activated, offering information in the role of the particular gene in development. Similar to the process of in situ hybridization, immunofluorescence (IF) also allows for the determination of particular cell element's roles in development. In contrast to in situ hybridization however, immunofluorescence uses a fluorophore attached to an antibody with biomolecule target, such as proteins, rather than DNA and RNA sequences. The allows for the visualization of biomolecule elements of the cell. In the study of embryogenesis immunofluorescence may be used for purposes similar to hybridization, for the tracking of proteins that are involved in the development of the embryo and their specific time and place of production and use. Current research has expanded on the immunofluorescence technique to combined it with the methods of in situ hybridization, either fluorescent or radioactive. This combination is believed to increase specificity and take away for the limitations of each individual technique. For example, this method with enhance counterstaining in a tissue and multiple protein labeling. Grafting experiments done in Xenopus and chicken embryos show the neural plate's capability to induce other regions of cells, including the pre placodal region, a group of ectodermal cells essential to the function of sensory organs.