Ganglionléc és plakodok fejlődése ganglionléc, dúcléc, plakodok, csirke-fürj kiméra, bélidegrendszer, perifériás idegrendszer H.-Minkó Krisztina SE, Humánmorfológiai és Fejlődésbiológiai Intézet Fejlődésbiológia kurzus, 2015

A dúcléc/ganglionléc Figure 12-2 Scanning electron micrograph of a chick embryo, showing the early migration of neural crest cells (arrow) out of the neural tube (NT). The subectodermal pathway of neural crest migration (*) is relatively cell-free, but contains a fine mesh of extracellular matrix molecules. N, notochord; S, somite. (Courtesy K. Tosney, Ann Arbor, Mich.) Downloaded from: StudentConsult (on 10 May 2010 02:52 PM) © 2005 Elsevier 2

Velőcső záródása: http://www.youtube.com/watch?v=ZcAAsr_8vOE Dúcléc sejtek vándorlása csirkeembrió feji régiójában: http://www.youtube.com/watch?v=IP0IsQ5QYgo

A dúcléc sejtek specifikációja a neurális és epidermális ectoderma határán kezdődik meg

(Gans és Northcutt, Science 1983) Dúclécünk egy új képződmény, amelynek kialakulása nagyon fontos előnyöket biztosított a gerinceseknek: lehetővé tette a gerincesek törzsére jellemző „ új típusú fej” (New Head) kialakulását (Gans és Northcutt, Science 1983) ennek jellemzői: Összetett érzékszervek, látás fejlődése lehetővé tette a ragadozó életmódot. Létrejött az első ragadozó szervünk az állkapocs. Az összes arckoponyacsont, és az agykoponya nagy része is dúcléc eredetű.

Az új típusú fej létrejöttén kívül a dúcléc teszi lehetővé a testben a különböző szervek, illetve a szervek és a központi idegrendszer közötti kapcsolat létrejöttét a perifériás idegrendszer létrehozásával. A szintén a dúclécből kialakuló és a bőrbe vándorló pigmentsejtek védelmet nyújtanak az UV sugárzás ellen és lehetővé teszik a színváltozásokat, amelyeknek szintén a környezethez való jobb alkalmazkodásban van szerepük.

Milyen szövetek származnak a dúclécből? myofibroblast fibroblast porc csont melanocyta endokrin sejtek perifériás idegsejtek glia sejtek

Először His figyelte meg a csirke embrióban, hogy a velőcső mediodorsalis részéről sejtek vándorolnak el lateral felé. Ő nevezte el a sejtek eredetét ganglionlécnek, mivel a kivándorló sejtek célja a gerincvelőt kísérő spinalis ganglionokban volt (1868). Későbbi irtásos kísérletek megmutatták, hogy nemcsak a szenzoros, de a szimpatikus és a paraszimpatikus dúcok , valamint a bélidegrendszer sejtjei is a dúclécből származnak.

A csirke-fürj kiméra módszer lehetővé teszi a dúcléc sejtek sorsának követését fürj sejtekben magvacskához kapcsolódó nagymennyiségű heterokromatin csirke sejtekben szétszórt heterokromatin

Sorstérképezés a csirke-fürj kiméra módszerrel 1.

Sorstérképezés a csirke-fürj kiméra módszerrel 2. NCC: neural crest cells, dúcléc sejtek

bélidegrendszer mesectoderma pigment sejtek paraszimp. ggl. bél ggl. érződúc mellékvese szimp. ggl. endokrin sejtek N.M. Le Douarin / Mechanisms of Development 121 (2004) 1089–1102

19 napos csirkeembrió vastagbél Remak ganglion plexus myentericus plexus submucosus Goldstein and Nagy, 2008, vol 64. Ped Res

Tehát a dúclécből származik: perifériás idegrendszer nagy többsége szimpatikus, paraszimpatikus, szenzoros, autonóm idegsejtek Schwann sejtek pigment sejtek (melanociták) fejben porc- és csontszövet, simaizom, miofibroblaszt és fibroblaszt , mesektoderma endokrin szövet (mellékvese) agyhártyák erek fala (endoth. nem) a fej nagy részében Szív : septum aortico-pulmonale, conotruncale

A dúcléc sejtek kialakulásának kurrens modellje Induktív szignálok: az ectodermából: BMP, Wnt a mezodermából FGF-8 (kétéltű adatok szerint) BMP magas konc.: epidermális ectoderma, alacsony: neurális ectoderma közepes: dúcléc! Itt kezdődik el az Msx-1, Pax-3 expresszió (dúclécre jell. TF-ok) Az indukált sejtek snail-1 és slug (snail-2) TF-okat is elkezdenek expresszálni, ami ahhoz kell, hogy ki tudjanak lépni az epitheliumból és tovább vándoroljanak, mint mesenchymális sejtek. Érdekes, hogy a slug faktor a gasztruláció során is expresszálódik, amikor az epiblast sejtek belépnek a primitív csíkba, majd elhagyják azt, mint mesenchyma sejtek! Az epithelio-mesenchymalis átalakulást a sejtfelszíni adhéziós molekulák expressziójának megváltozása teszi lehetővé (N-CAM, E-cadherin, N-cadherin eltűnik a sejtek felszínéről). (egyes molekulák ezek közül újra expresszálódnak, amikor a sejtek elérték céljukat, pl. az érződúcokban)

1. Dúcléc indukció neurális és nem-neurális ektoderma határán, neurális cső dorzális részén a korai extraembrionális ektoderma a középagy területére ültetve szintén képes dúcléc kialakításra magas/alacsony BMP szint között BMP: dorzális sajátságok (Wnt) + FGF együtthatása slug, Zic: Zn finger transzkripciós faktorok, dúcléc sajátságok Mechanisms of Development 82 (1999) 51–66 FGF organizer BMP4 BMP4 noelin-1: már slug előtt megjelenik a neurális lemezben; túltermeltetése megnöveli a dúcléc sejtek számát slug Zic5 FGF FGF BMP4 chd, nog fst, shh BMP4 BMP4 BMP4 FGF FGF Mechanisms of Development 105 (2001) 27-35

2. Delamináció: epitelio – mesenchimális átalakulás (EMT); adhéziós sajátságok megváltozásához, így kivándorláshoz vezet – BMP indukciós hatás E és N-cadherin, NCAM ↓ , cadherin 7 és 11 expr. ↑ rhoB (small GTPase): migráció előtt már megjelenik, aktin citoszkeleton és sejtalak szabályozása kezdeti elköteleződést noggin-BMP hatás irányítja; Slug és Snail az adhéziós molekulák expresszióját közvetlenül befolyásolja EMT és a delaminációs kivándorlás lehet egymástól független is (RA hatás) slug Zic5 Mech. of Development 105 (2001) 27-35 a delamináció meggátlása (Slug) X

A dúcléc sejtek vándorlása az indukció után: A fejben még a velőcső záródása előtt elindulnak, a testben csak a záródás után. Fibronektin, laminin, és a IV. típusú kollagén (membrana basalis fehérjék): támogató, „csalogató” környezet, szeretnek a basalis lamina mentén vándorolni Kondroitin-szulfát: nem támogató , „taszító” Vándorlás: sejtfelszíni integrinek segítségével

fej törzs garatkörüli A dúcléc felosztása garat szív, nagyerek bél 6. szomitától garatkörüli garat szív, nagyerek bél

A ganglionléc (dúcléc) topográfiai felosztása Cranialis dúcléc craniofacialis (ecto-) mesenchyma, porc, csont, kötőszövet, ideg, glia Cardialis dúcléc artériák izmos-kötőszövetes fala, septum aorticopulmonale Entericus dúcléc vagalis, sacralis, entericus dúcléc, paraszimpatikus elemek Truncalis dúcléc melanocyták, spinalis érződúcok, szimpatikus idegek, dúcok

Dúcléc a fejben A vándorlás megkezdődik a velőcső záródása előtt

Szegmentáció az agyban (neuromérák) isthmikus neuromér mesencephalikus neuromér rhombomérák i r1 M r2 r3 P1 r4 P2 r5 r6 P3 r7-8 P4 P5 prosomérák P6 21. nap

Nincs dúcléc kivándorlás az 5. és 6. prosomera területéről, előtte (1 Nincs dúcléc kivándorlás az 5. és 6. prosomera területéről, előtte (1.-4.) van. A kivándorlást az ant. neurális tarajnál a prechordális mezodermában szekretálódó Dickkopf1 (Wnt inhibitor) gátolja.

Az utóagyból kivándorló dúcléc sejtek népesítik be az első 3 kopoltyúívet. A fej ontogenezise során minden rhombomérához és a mesencephalonhoz tartozó dúclécpopuláció megőrzi szegmentális elrendeződését. A garat régióban a dúcléc migrációs útvonalak szoros összefüggést mutatnak a Hoxb génexpresszióval. A cranialis dúcléc sejtek szelvény szerinti specifikációja már korán eldől, mielőtt még megkezdik migrációjukat. Ez a „test” szintjén nem érvényes a dúclécre. A garat endoderma szerepe fontos a differenciációban.

3. Migráció Dúcléc vándorlás a fejben a felszíni ektoderma és a neurális epitélium között vékony rétegben mesenchymális sejtek + mezodermális sejtek (mesencephalon – ektoderma alatt) BMP2 szerep porc-, csont- és simaizomszövetté differenciálódhat Hox gének által meghatározott rhombomérákban vándorolnak, kivéve rh 3 és 5 – paraxial exclusion zone Gale et al (1996) Development. 122: 783-793. N.M. Le Douarin / Mechanisms of Development 121 (2004) 1089–1102

3. Migráció Dúcléc szerepe a fej kialakulásában csontozat: anterior domén (mid-diencephalon – r2) a Hox-negatív régióból, a posterior területek a Hox-kifejező dúclécből fejlődik sokféle szegmentációs génhatás a mesenchymális származékok a legkevésbé „plasztikusak” – a Hox gének nemcsak a környezeti szignálokat, hanem az intrinsic fejlődési potenciált is megszabják + FGF8 jel-átvitel anterior posterior N.M. Le Douarin / Mechanisms of Development 121 (2004) 1089–1102

Hox gének expressziója - kivándorló dúcléc-sejtek - kopoltyúívek 4 szomita alatt 6 szomita kopoltyúívek idegrendszer velő-lemez dúc-léc velő-lemez dúc-léc felületi ektoderma garatív- mesenchyma agyideg-dúc velőcső Hoxb-2 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 Hoxb-1 ph1 ph2 ph3 ph4 C.N. V. Hoxb-3 C. N. VII, VIII Hoxb-4 C. N. IX, X C. N. X Hoxb-2 Hoxb-3 Hoxb-4

Dúcléc és fogfejlődés

Garat körüli dúcléc

Rhombencephalon posterior részéről indul, 6. garatív mögött vándorolnak Cardiális dúcléc Vagális dúcléc

Dúcléc és szívfejlődés

Dúcléc a testben (6. szomita mögött)

A dúcléc törzsi (truncalis) részének neurogén származékai hátsógyökér- agyidegi érzőganglionok neurogenin ventrolateralis útvonal (szomita elülső részén: érződúc) endothelin-3 dúcléc pigmentsejtek (melanocyták) dorsolateralis útvonal (pigment) parasympathicus és sympathicus ganglionok somiták mezodermája fejlődő mellékvese glucocorticoid hormonok parasympathicus (submucosus) plexus a bélben ventralis útvonal (szimpatiko-adrenális) Mash 1 (HLH) enterochromaffin sejtek

A dúcléc törzsi (truncalis) részének neurogén származékai ventrolateralis útvonal dúcléc Schwann sejtek satellita sejtek unipolaris érzőneuronok multipolaris ganglionsejtek a sympathicus ganglionokban FGF, NGF chromaffin sejtek a mellékvesevelőben glomus caroticum, parafollicularis (C) sejtek plexus prevertebralis

3. Migráció Dúcléc vándorlás a törzsben BMP4 szerep ventromediális út: csak a rosztrális szomita mezodermán keresztül; ephrin B1 expresszálódik a caudalis részen, gátló hatás! poszterior sclerotom szintén gátló: (semaforinok, kondroitin-szulfát) érző és szimpatikus ganglionok, Schwann sejtek és chromaffin sejtek szomita fejlődéssel és kompartmentalizációval összhangban dorzolaterális út: szomiták és az ektoderma között, szegmentálatlanul ventrom. migráció elindulása után kb. 24 órával indul melanociták; endothelin-3 sejtfelszíni glikoprotein expr. szabályozza, melyik úton induljanak el ECM: tenascin, thrombospondin – serkentő, F-spondin, collagen IX - gátló perinotochordiális mesenchyma: gátló (kondroitin-szulfát) dermomiotom szklerotom Krull (2001) MOD, 105:37-45.

A plakodok differenciálódása

A plakodok és dúcléc viszonya egymáshoz plakod: cranialisabban, lateralisabban, epithelialis jellegét megőrizve a felszínen alakul ki - hámmegvastagodás vagy hólyagképződés formájában Dúcléc: caudalisabban és medialisabban, epithelio-mesenchymalis átalakulás révén, a mélybe vándorolt sejtekből alakul ki

A plakodok és dúcléc közös őssejtpopulációból származik? focalis ektoderma-megvastagodás, amelyből haj, szőr, toll és fogak származnak Cranialis plakod központi idegrendszerhez asszociált szervek (csillós receptorsejtek, érzéksejtek, neuroendokrin és endokrin sejtek, glia, ezek támasztósejtjei)

A plakod főbb elemei orrüreg hypothalamus szem rostralis plakodok telencephalon orr-plakod neurohypophysis hypophysis plakod (Rathke tasak) frontonasalis ectoderma lencse plakod thalamus maxillo-mandibularis ectoderma intermedier plakodok trigeminalis plakod (V) ganglion trigeminale hyoid & cervicalis ectoderma mesencephalon epibranchialis plakodok rhomb-encephalon 1. (distalis) ganglion geniculatum (VII) dorsolateralis plakod 2. ganglion petrosum (IX) ganglion vestibulo-cochleare halló-plakod (VIII) 3.-4. ganglion nodosum (X)

A plakodális megvastagodások elrendeződése a velőcső rostralis vége orrüreg hypothalamus szem telencephalon neurohypophysis velőlemez frontonasalis ectoderma thalamus maxillo-mandibularis ectoderma felületi ektoderma hyoid & cervicalis ectoderma mesencephalon a velőlemez és a felületi ektoderma közötti határ rhomb-encephalon

A placod és a dúcléc közös vonásai plakod dúcléc Ektoderma származékai (velőlemez - ektoderma határ) Migrációra képesek Érzékszerveket, érzőneuronokat képeznek Extracelluláris matrixot képeznek* Egymással interakcióba lépve közösen képeznek szöveteket* A törzs egész hosszában Csak cranialisan

Köszönöm a figyelmet!

Fő referenciák S. F. Gilbert: Developmental Biology, Sinauer associates, Inc. Publishers Schoenwolf, Bleyl, Brauer, Francis-West: Larsen’s Human Embryology, Elsevier T. W. Sadler: Langman’s Medical Embryology, Williams & Wilkins B. M. Carlson: Human Embyology and Developmental Biology