Idegi nyúlványok fejlődése Nyúlvány-kinövés – az idegsejt-polaritás kialakulása Nyúlvány-növekedés (elongáció) Irányválasztás – „aktivitás-független” benövés attraktív, repulzív, permisszív felületek Kötegelődés Aktivitás-függő nyúlvány-szelekció

Vándorlás; Letelepedés; Polarizálódás Idegi őssejtek asztroglia felszínen N-tub Vándorlás; Letelepedés; Polarizálódás A migrációt vezető él/nyúlvány = axon! Környei Zs. felvételei; MTA KOKI N-tub Posztmitótikus idegi előalakok asztroglia felszínen

During glial-guided of migration of CNS neurons in the developing mammalian brain, the centrosome controls the polarity and direction of cell movement. During glial-guided of migration of CNS neurons in the developing mammalian brain, the centrosome controls the polarity and direction of cell movement. (1) The neuron is polarized in the direction of migration (arrow) with the nucleus (N) in the posterior aspect of the cell. The nucleus, Golgi apparatus (not shown) and centrosome (C, red) are forward of the nucleus, and a system of microtubules (MT, red) extends into the leading process from the MTOC. An interstitial junction forms beneath the cell soma (MJ, yellow) and punctae adherentia (yellow) form beneath the short (1–5 μm) filopodia (F), extending from the leading process as it enwraps the glial fiber (GF, green). In contrast to growth cones, there is no “leading edge” at the tip of the leading process, and although the leading process is highly motile, the movement of the cell corresponds to the movement of the cell soma, not the movement of the tip of the leading process. (2) The centrosome moves forward, leading to stretching of the perinuclear tubulin cage surrounding the nucleus. (3) As the interstitial junction dissipates, the nucleus and soma move forward, leading to additional deformation of the perinuclear tubulin cage and swelling of the proximal area of the leading process. The neuron moves along the glial fiber ~1.5–2.0 μm, after which a new interstitial junction anchors the cell soma. Migration continues in a saltatory manner, as the cycle of forward movement of the centrosome followed by release of the interstitial junction and somal translocation repeats. David J. Solecki et al. Genes Dev. 2006;20:2639-2647 Copyright © 2006 The Protein Society

Sejt-polaritás Extrinsic és intrinsic hatások szabályozzák: Regulation of cell polarization is achieved by asymmetric distribution of key intracellular signaling molecules in response to extracellular cues (Affolter and Weijer, 2005; Bryant and Mostov, 2008; Huttenlocher, 2005) Sejt-polaritás Extrinsic és intrinsic hatások szabályozzák: Mikrotubulus felépülést/stabilizálás Centroszóma elhelyezkedést Irányított exo/endocitózis helyeit Intracelluláris transzport Mechanizmus: a kötő-fehérjék és kináz-komplexek ( aPAR és pPAR) egyenlőtlen membrán-eloszlása → specifikus GTPázok (pl. Rac Rho, Cdc42) és GDP exchange fehérjék aktiváció Collapsin response mediator proteinek (CRMP) eloszlása Motegi F, Seydoux G. 2013,. Phil Trans R Soc B 368: 20130010. http://dx.doi.org/10.1098/rstb.2013.0010

The PAR-3–PAR-6–aPKC (aPar) protein complex. The PAR-3–PAR-6–aPKC protein complex. All three proteins are required for establishing anterior/posterior cell polarity in the zygote of invertebrates. The complex localizes cellular components needed for the asymmetric division of Drosophila, and the formation of epithelial junctions. The polarity complex, termed the mPar6α signaling complex in vertebrates, exhibits polarized localization in a variety of cell types and organisms. Activated Cdc42 and Rac1 (lightning bolt icons) bind to mammalian PAR-6 (Par6) via a CRIB domain; Par3 (red) binds to Par6 via its PDZ domain and sequesters the activity of the aPKC/PKCζ (labeled green). The polarity complex localizes the mitotic spindle during asymmetric divisions of neural progenitors (lower left) and localizes adhesion proteins that orient the mitotic spindle of immature, epithelial cells (second from left). (Second from right) In the mammalian CNS, mPar6α signaling controls glial-guided migration by setting the tempo of movement of the migrating neuron along the glial fiber. In addition, polarity proteins localize the centrosome (green) just prior to axon outgrowth (left panel) and modulate cytoskeletal dynamics at the growth cone (lower right). Although it is unlikely that polarity protein assemblies function in the same molecular pathways in different cell types or stages of development or parallel steps in different species, evidence is accumulating to suggest that the Par proteins and their signaling pathways are central to a core polarity mechanism(s) conserved in metazoan cells. David J. Solecki et al. Genes Dev. 2006;20:2639-2647 Copyright © 2006 The Protein Society

A kisagy-kéreg is primér + szekunder germinatív zónákból származik Primér (belső) germinatív zóna: Purkinje és Golgi sejtek, valamint a mély kisagyi magvak sejtjei (n.dentatus, n. globosus, n.emboliformis, n. fastigii). a radialis glia sejtek a ventrikuláris rétegből a marginális réteg felszínéig nyúlnak; vezetik a fejlődő posztmitotikus idegsejtek vándorlását Szekunder (külső) germinatív zóna (external germinative layer; EGL) Egér E14 : P sejtek generálásának vége; EGL képződés kezdete; progenitorok vándorolnak (tangenciális mozgás) a kisagy-kezdemény dorzális felszínére Human 2. embrionális hónap : Cerebellum: ventrikuláris (belső germinatív réteg), „köpeny” (mantle) és marginalis zónák. 19. hét: A belső germinatív zóna idegi progenitor sejtjei a marginális zónába vándorolnak, osztódnak: kialakul a külső germinatív zóna (external germinative zone; EGL) E.Hatten; Rockefeller Univ. Sudarov, Joyner; Neural Development 2007, 2:26

Centrosomal position during granule cell neurite extension, migration, and dendritic growth. David J. Solecki et al. Genes Dev. 2006;20:2639-2647 Copyright © 2006 The Protein Society

anterográd, kinesin plus end minus end retrográd, dynein

dendrit axon Doublecortin III-b-tubulin TAU NFH MAP2

Lipton 1998

Takano et al., Development (2015) 142, 2088-2093

Idegi nyúlványok fejlődése Nyúlvány-kinövés – az idegsejt-polaritás kialakulása Nyúlvány-növekedés (elongáció) Irányválasztás – „aktivitás-független” benövés attraktív, repulzív, permisszív felületek Kötegelődés Aktivitás-függő nyúlvány-szelekció

*: növekedési kúp; : épülő nyúlvány Jürgen Löschinger felvétele Az axon növekedési kúp letapadása, „előrehaladása” folyamatos membrán-épülést jelent a kúp vezető élén, filopódiumaiban, és anyag-beépülést a rögzülő „axon-rúd” növekedési kúp mögötti részén Fázis-kontraszt mikroszkópos video-felvétel Elektronmiszkrópos felvétel. *: növekedési kúp; : épülő nyúlvány

A nyúlványok kötegeket képeznek Növekedési kúp számára a legjobb letapadási felület a szomszéd nyúlvány felszíne: A nyúlványok kötegeket képeznek Az kérgi sejtek nyúlványai „bevezetik” a thalamus sejtek nyúlványait a jövendő kéreg felé J. Spacek; http://synapses.mcg.edu/atlas/ Molnár Zoltán felvétele

ECM [Ca2+]I [Ca2+]I release Ligand Letapadási jel Receptor Growth cone target BDNF Protein synthesis exocytosis ECM GABA GABAA GABAB [Ca2+]I Protein production release [Ca2+]I release phosphorylation Ligand Letapadási jel Netrin repulzív/attraktív Wadsworth, Hedgecock 1996 Slit 1-3 Repulzív, sejt-polaritás, attraktív (Ypsilanti ,Development 2010) Semaphorin Chen et al., 1998 Ephrin Himanen, Nikolov 2003 Receptor DCC/Unc5 Robo (Round-about ) 1-3 Neuropilin Eph (Trk) receptors NogoR MAG,Omgp, Nogo66 repulzív McGee, Strittmatter, 2003 Ca++ hullám chemorepellent Slit Ibanez 2007 kisagyi szemcsesejt növ. kúp CICR Ca++ indukált Ca++ release 8 um/sec Ca++ hullám iránya Slit-receptor (Robo) lokalizációjától függ SEMA I, II, VIII: gerinctelen; receptor: plexinek SEMA III-VII : gerinces; receptor: neuropilin 1 és 2

AC: commissura anterior; POC : commissura post optica; Baresi et al., Development, 2005. 132, 3643-3656 „Glia-hidak” kialakulnak a középvonalat átlépő axonok megjelenése előtt. Zebrahal embrió AC: commissura anterior; POC : commissura post optica;

Shu et al. J. Neurosci., 2003 • 23(22):8176–8184 Baresi et al., Development, 2005. 132, 3643-3656

Slit-Robo signalling. Szekretált ECM molekula IgCAM Slit-Robo signalling. A schematic of Slit-Robo signalling. (A) Slits bind to the immunoglobulin (Ig) 1 domain of Robo receptors through its second (D2) domain, which contains leucine-rich repeats (LRRs). Heparan sulphate proteoglycans (HSPGs) such as syndecan (Sdc), which consist of a proteoglycan core protein and heparan sulphate (HS) chains, are co-receptors for Robo and Slit. HSPGs stabilise Robo and Slit binding by forming ternary complexes with the Ig1 domain of Robo receptors and the D2 domain of Slit through their HS polymers. (B) The Rho GTPases and their regulators (GAPs and GEFs) are key components of the Slit-Robo signalling pathway. In the presence of Slit, Slit-RoboGAP1 (srGAP1) binds to the CC3 domain of Robo and inactivates RhoA and Cdc42. These effector proteins are able to mediate, among other outcomes, repulsion, control of cytoskeletal dynamics and cell polarity. (C) In the presence of Slit, Vilse/CrossGAP can also bind to the CC2 domain of Robo and inhibit Rac1 and Cdc42. Rac1 is also activated by the recruitment of the GEF protein Son of sevenless (Sos) via the adaptor protein Dreadlocks (Dock), which binds to the CC2-3 domain of Robo. This activates the downstream target of Rac1 and p21-activated kinase (Pak), which also binds to Robo CC2-3 domains. These downstream signalling partners of Robo control repulsion and cytoskeletal dynamics. (D) The tyrosine kinase Abelson (Abl) binds Robo CC3 domain and antagonises Robo signalling through phosphorylation of the CC1 domain and mediates cell adhesion. Enabled (Ena) a substrate of Abl also binds Robo CC1 and CC2 domains. The slit cleavage site is also shown. Ypsilanti A R et al. Development 2010;137:1939-1952

Netrin/Dcc and Slit/Robo pathway interactions.

A cerebro-spinális traktus „út-találása” A.J. Canty, M. Murphy / Progress in Neurobiology 85 (2008) 214–235

Idegi nyúlványok fejlődése Nyúlvány-kinövés – az idegsejt-polaritás kialakulása Nyúlvány-növekedés (elongáció) Irányválasztás – „aktivitás-független” benövés attraktív, repulzív, permisszív felületek Kötegelődés Aktivitás-függő nyúlvány-szelekció; szinaptogenezis

Pattern generátor Taricha torosa TTX

BDNF I. „Poli-innerváció” specifikus szinapszisok II. Az izom véglemez „érése”: nAChR-ok eloszlása

„Fire together, wire together” Propagated waves [Ca2+]I release BDNF GABA phosphorylation Protein synthesis exocytosis ECM Protein production Growth cone target GABAA GABAB Jelitai, Madarasz; Int.Rev.Neurobiol. 2006 „Fire together, wire together”

P17 P2 Fejlődés-diktálta nyúlvány-elimináció V. réteg V. réteg Stanfield; O’Leary; 1985-95 Retrográd jelzéssel a medulla felől visszajelezhető : P2: a teljes V. kérgi réteg P17: szenzomotoros kéreg P2-nél + P17-nél végzett kettős visszajelzés: Nem a sejtek, csak a nem megfelelő helyen végződő nyúlványok „tűnnek el”: Fejlődés-diktálta nyúlvány-elimináció