Cresta i placa neural, neurogenesi i desenvolupament en mamifers (2017)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Barcelona (UB)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Biologia del desenvolupament
Año del apunte 2017
Páginas 11
Fecha de subida 28/06/2017
Descargas 2
Subido por

Vista previa del texto

Tema 9: Placa i cresta neural L’ectoderm té dos destins. El ventral donarà a el sistema epitelial, i en canvi el ectoderm dorsal pot donar el tub neural o la cresta neural. El tub neural donarà lloc al sistema nerviós, i la cresta neural a diferents tipus de teixits. La senyal que ho especifica, és la concentració de BMP, i la part dorsal evita aquest BMP secretant inhibidors com noggin, i a la vegada expressant els gens SOX que són inductors dels gens de específics de la placa neural.
Neurolació en Xenopus sp. i pollet Algunes cèl·lules del ectoderm s’engruixeixen i formen la placa neural, formant una estructura en forma de U, anomenat plec neural, tenint a sota de la U el solc neural, que estableix l’eix esquerra-dreta del embrió. Posteriorment les cèl·lules dels extrems del plec neural aniran migrant i tancant el plec internalitzat el tub neural.
En pollet la somitogènesi i el tancament del tub neural es donen d’anterior a posterior. Les cèl·lules que estan més a la línia mitja formen la regió frontissa medial (medial hinge point, MHP), i un canvi en la forma cel·lular produeix la invaginació de la placa neural. Les cèl·lules epidèrmiques també migren a la línia mitja, i es forma el solc neural. El marge de la placa neural ha de convergir per moviments cel·lulars, de tal manera que queda el tub neural connectat a l’epidermis per la cresta neural. Aquestes patiran una transició epiteli-mesènquima que derivaran en molts tipus cel·lulars de tal manera que la migració provocarà que el tub neural quedarà separat. Es discuteix si la placa neural es considera una quarta capa germinal, característica dels vertebrats.
En el cas de pollet el tub es comença a tancar per un sol punt, a l’alçada del cervell mitjà i després, indueix el tancament de la part anterior i després la posterior. En mamífers, hi ha cinc punts de tancament, i algunes malalties com la espina bífida es degut al mal tancament del tub neural.
Compartimentació del tub neural La part anterior del tub neural donarà lloc al cervell, quan ja s’ha internalitzat.
Queda dividit en tres vesícules, anomenades cervell anterior, cervell mitja i cervell posterior, que més endavant es divideixen en diferents regions i que originen tot SNC.
Per regionalitzar el tub neural és molt important la intervenció dels gens Hox, però no intervenen en la regionalització del cap, ja que s’encarreguen altres gens homeòtics. El romboencèfal és forma per la combinació d’expressió de diferents gens HOX i induirà els diferents segments del tub neural. Per establir les fronteres entre els rombòmers es basa en el sistema de la efrina, els senars expressen el receptor i els parells el lligand.
Organització dorsiventral del tub neural El tub neural també pateix una diferenciació dorsiventral, les mes dorsals seran interneurones que rebran les senyals sensorials i les ventrals seran neurones motores.
Les cèl·lules més ventrals estan a prop de la notocorda, i rebran el Shh que aquesta secreta, cosa que provoca que es diferenciïn en la floor plate, que ara alliberarà Shh. En la part ventral passarà el mateix amb el BMP que secreta l’epidermis i formarà el roof plate que secretarà BMP. Per tant es genera un doble gradient de BMP i Shh que permet diferenciar els diferents tipus neuronals.
Per tant observem un doble gradient, un gradient anteroposterior creixent de Wnt i un gradient centrolateral de BMP, és el que forma els eixos dels organismes. Les regions sense BMP i WNT, que són les que formen el llavi dorsal del blastòpor, són les que acaben formant el cap i el cervell, si només estan exposades a Wnt, donen la medul·la espinal i el tub neural, i si tenen exposició a BMP epidermis.
Cresta neural La cresta neural es considera una quarta capa embrionària, degut al nombre de derivats cel·lulars que origina i que només es troben en els vertebrats. Es responsable de la formació de la cara i de l’encapsulament del cervell entre d’altres.
Com ja s’ha vist anteriorment la cresta neural s’origina a partir de la placa neural i rep senyals intermèdies de BMP. En funció de les senyals de BMP i Wnt que rebi activaran a Snail i a RhoB que són els gens implicats en la transició epiteli-mesènquima de la cresta neural, ja que inhibeixen l’expressió de cadherines. Podem veure les diferents combinacions en la imatge de la dreta.
Aquesta multipotència de les cèl·lules de la cresta neural permet que es derivin molts tipus cel·lulars com neurones del sistema nerviós simpàtic, estructures òssies i cartilaginoses de la cara, melanòcits o cèl·lules de Schwann.
Regionalització de la cresta neural En funció de la regió on es trobi la cresta neural donarà lloc a uns tipus cel·lulars o a uns altres.
Per fer aquests estudis es basen en el trasplant d’una part de la cresta neural de guatlla a pollet i així poder fer immunotincions i poder distingir on han anat a parar.
En funció de les senyals que rebin les cèl·lules del seu entorn s’especifiquen cap a un tipus concret, i es aquesta migració i determinació el que provoca la migració determinada. Un exemple són els gens sox10 que la seva expressió dóna lloc a FT específics.
Les cèl·lules de la cresta neural cranial donen lloc a les cèl·lules del cap, les del tronc a melanòcits i el SNP, i específicament les que es trobin a prop dels somites 1-3 deriven en artèries del cor i del 18-25 a les glàndules adrenals. La cresta neural vagal i sacral donen els ganglis para simpàtics del intestí.
Tots els derivats de la cresta neural presenten l’antigen HNK-1.
A més a més les cèl·lules no són equivalents, ja que si trasplantem regions de cresta neural posterior a regions anteriors no són capaces de diferenciar-se correctament però si de migrar, cosa que si fem l’experiment al revés, les cèl·lules també es diferencien. Els gens encarregats d’especificar aquests processos de diferenciació són els gens Hox Migració de les cèl·lules de la cresta neural Hi ha dues grans vies de migració alhora de fer la transició epitelimesènquima. La ventrolateral, on migren per la meitat anterior de cada escleròtom, i la segona via que és la dorsal, on la migració és entre la dermis i la epidermis i que donarà lloc als melanòcits. En mamífers i ocells esta regulat per receptors d’efrines.
Les diferents morfologies cranials es donen per la contribució relativa diferent de les diverses cèl·lules de la cresta neural o de la seva migració. Es pot veure amb l’experiment de la imatge amb el bec de guatlla i ànec.
Tema 10: Neurogènesi d’invertebrats El sistema nerviós dels invertebrats té un origen comú amb el dels vertebrats tot i la seva divergència morfològica, ja que els gens per establir el SN són similars.
Els invertebrats no tenen valor taxonòmic i presenten una gran diversitat de morfologies del SN, que es troben resumides en la imatge del costat. En cas de dubtes revisar els apunts de Zoologia que allà tot està molt explicat.
La principal diferència entre els vertebrats i els invertebrats que val la pena destacar es que els primers tenen el SN dorsal, i els segons ventral.
Neurogènesi en Drosophila Per la especificació del SN farem servir Drosophila com a model. Les cèl·lules dorsal donen lloc a l’epidermis i les del ectoderm ventral a la banda mitja que derivaran al neuroectoderm, que és l’equivalent a la placa neural dels vertebrats. Es important observar que el neuroectoderm es forma en la regió ventral perquè l’activitat BMP és molt baixa, com era el cas dels vertebrats en la regió dorsal. En el cas del neuroectoderm, a diferència de la placa neural, part d’ell acabarà donant lloc a l’epidermis, i això es degut a l’aparició de clústers proneurals.
Aquests clústers proneurals expressen el gen achaetescute. Cada clúster està composat per unes poques cèl·lules i potencialment totes poden esdevenir neuroblast però només una d’elles es convertirà.
Aquesta decisió es pren per la via nocht-delta, amb un fenomen d’inhibició lateral.
En un principi totes expressen de manera normal un cert nivell d’achaete-scute, però per atzar una en comença a expressar més, cosa que potència l’expressió de delta, i per tant activa el nocht de les altres cèl·lules. Aquest nocht, actua com a inhibidor de achaete-scute produint un efecte cascada, i només una cèl·lula, amb nivells molt alts d’achaete-sctue promourà la diferenciació a neuroblast.
A la vegada una sèrie de determinants queden distribuïts en l’eix apicobasal, de tal manera que permetran una divisió asimètrica de la cèl·lula. En l’extrem apical trobem els factors bazooka i Insc, i en la part basal els factors NumB, Prospero i Miranda, cosa que permetrà que la part apical al dividir-se doni lloc a un neuroblast, i la part basal, gracies a aquests altres factors donin cèl·lules neuronals.
Per tant, aquest fet suggereix que els vertebrats van patir una inversió dels eixos dorsal-ventral en algun punt del desenvolupament.
Desenvolupament dels ulls: Sistema Gal4-UAS En els ulls dels vertebrats i dels invertebrats presenten elements comuns, com cèl·lules pigmentaries i cèl·lules fotosensibles. En un principi es va assumir que l’origen dels ulls era de manera independent i que hi va haver-hi una convergència evolutiva.
L’any 1993 Walter Gehring va descobrir un gen a Drosophila molt similar al gen PAX6 de ratolins i va veure que mutacions en aquest gen produïen en diferents animals i inclús en humans malformacions en els ulls molt similars. Això es degut a que el gen PAX6 codifica per un FT que té un domini homeòtic i un altre domini que s’anomena paired i que regula l’expressió dels ulls.
Per acabar-ho de demostrar, va utilitzar el sistema Gal4-UAS. Aquest sistema es basa en utilitzar el promotor UAS que respon al FT Gal4. Per una banda és té una línia transgènica que té el gen d’interès (en aquest cas PAX6) amb el promotor UAS, i per una altra banda es té una segona línia transgènica amb el gen que codifica per Gal4 amb un promotor específic de la regió en la qual volem que s’expressi el gen de la primera línia transgènica. Llavors alhora de fer el creuament entre les dues soques un % de Drosophila (seguint l’herència mendeliana) s’expressava el gen PAX6 en la regió desitjada, i s’observaven ulls per exemple en l’ala. A més es pot modular en el temps ja que els promotors poden ser sensibles a la temperatura i a les hormones i solen ser reversibles.
Aquest sistema Gal4-UAS serveix per molts experiments en el que es volen expressar gens en diferents regions d’un individu model.
Tema 11: Desenvolupament de les extremitats en vertebrats La formació de les extremitats és un bon model per estudiar la formació de patrons. La extremitat dels tetràpodes té tres eixos, un anterior-posterior (polze és anterior i dit petit posterior), un ventral-dorsal (ventral és el palmell) i un pròxim-distal (pròxim espatlla). A més hi ha tres segments que reben el nom de estilopodi (húmer i femúr), zeugopodi (cúbit, radi, tíbia i peroné), i autopodi (canell, turmell i falanges).
Primordis de les extremitats Els primordis que donen lloc a les extremitats provenen de cèl·lules del mesoderm de la placa lateral que han migrat. La musculatura d’aquestes es deriva de la regió adaxial del somita i els ossos de la placa lateral. Aquestes cèl·lules formen els primordis en la frontera dels límits d’expressió gens Hox C5 i C6, que es determina la frontera entre les vertebres cervicals i toràciques; i entre els límits d’expressió dels gens HOX D9 i D10, es formaran els primordis posteriors, que es determina la frontera entre les vertebres lumbars i sacrals.
El primordi presenta 3 centres organitzadors per determinar el creixement de la extremitat. La capa més externa del primordi, s’anomena apical ectodermal ridge (AER); la zona que la segueix que és la progress zone (ZP), que és la zona proliferant, i en una banda en l’extrem posterior trobem la polarizing region (ZPA). Les dues primeres són essencials pel creixement proximodistal (ja que si s’elimina una de les dues l’extremitat deixa de créixer), i la ZPA és responsable del patró anteroposterior de l’extremitat.
Especificació de l’eix proximodistal Les cèl·lules de la ZP expressen FGF10. Aquesta molècula activa la via WNT de les cèl·lules que té davant i promou que es transformin en les cèl·lules de AER, que produiran Fgf8 de tal manera que aquest viatjarà a les cèl·lules de la ZP per promoure l’expressió de Fgf10. La identitat anterior o posterior la dona la combinatòria dels gens Hox que promouen factors diferents (tbx5 i tbx4) que acabaran provocant en ambdós casos la formació de fgf10. En el cas de l’extremitat anterior s’ha cist que la combinatòria de gens Hox provoca l’aparició d’àcid retinoic i de manera directa activa a tbx5.
Especificació de l’eix anteroposterior Per especificar els diferents òrgans la ZPA fa servir un gradient de Shh. Aquest Shh activa una sèrie de vies de senyalització intracel·lular, els FT i els Gli. Quan la concentració de Shh és baixa, Gli2 i Gli3 són fosforilats i reprimeixen la transcripció.
Però si és alta el receptor Patched deixa d’inhibir a smoothened de tal manera que inhibeix la fosforilació del Gli, activant la transcripció.
Els gens HOX en funció d’on s’expressin donaran lloc al estilopodi, zeugopodi i autopodi. S’ha vist que hi ha dos tipus d’enhancer, el ELCR que es torba a l’extrem 3’ i un altre que és el POST que es troba al extrem 5’. El primer controla l’ordre d’expressió dels gens Hox ja que contra més a prop es trobin del promotor més d’hora s’expressaran, i POST en canvi contra més a prop més reprimits es troben. Aquest fet permet determinar la combinació de gens que s’expressaran abans i determinar que serà estilopodi i zeugopodi. En una segona fase els gens Hox-d 11,12,13 activen un enhancer que indueix l’expressió de Shh, fent que d’aquesta manera s’activin enhancers propers a GCR, i els més propers s’expressaran més anteriorment i els mes llunyans més posteriorment, podent donar entitat als diferents dits.
A part, s’ha descrit un altre model per la especificació dels dits, el model de Turing, que explica l’aparició de certs patrons de manera espontània degut a un sistema químic amb capacitat d’autoorganització per donar sistemes repetitius. Aquest sistema es basa en dos morfògens, un d’aquest actua com activador dels dos morfògens i l’altre com inhibidor dels dos, però la diferència és que aquest últim difon més ràpid. El que proposa aquest model matemàtic es que en una distribució uniforme dels dos morfògens acabaran generant-se un patrons de pics, i cada pic es correspondria amb un dit.
Actualment no se saben quin son aquests dos morfògens però s’aposta per BMP com inhibidor i Sox9 com activador. S’ha vist que com més gran és l’espai que disposen els morfògens per actuar més dits es generen, i evolutivament aquest sistema ja es trobava en els primers craniats regulant els patrons de les aletes.
Inicialment tots els dits estan units entre ells per una membrana interdigital, que desapareix gràcies a l’acció de BMP, ja que promou l’apoptosi de les cèl·lules de la membrana interdigital.
S’ha vist que per exemple, en ocells palmípedes com els ànecs, trobem una sobrexpressió de gremlin en aquestes membranes, cosa que inhibeix a gremlin, i manté les membranes interdigitals.
Especificació del eix dorsal-ventral L’extremitat per diferenciar-se en l’eix dorso-ventral és important el gen WNT7a, que s’expressa a l’ectoderm dorsal del primordi donant aquest caràcter dorsal. En la part ventral l’expressió d’engrailed inhibeix l’acció de Wnt7a.
Regulació del creixement de la extremitat S’ha vist que existeix una coordinació dels tres eixos.
Quan creix el limb bud, apareix ZPA i per tant hi ha un increment de Shh, que promou l’expressió de Gremlin. Aquets Gremlin és inhibidor de BMP, que alhora inhibeix Fgf8. Per tant un augment de gremlin incrementa el creixement, ja que permet l’acció de fgf8. Conforme l’extremitat creix la AER queda més lluny de la font de Shh fins que no arriba prou Gremlin per inhibir BMP. Quan BMP estigui activa inhibirà a FGF8, i aturarà el creixement.
Tema 12: Desenvolupament en mamífers El desenvolupament en els mamífers comença amb la fecundació, que està explicada en el tema 2. Un cop es dóna la fecundació comença el clivellament, les primeres divisions son molt lentes, i quan s’arriba a l’estadi de bàstula que s’anomena blastocist, s’implanta a l’úter.
Clivellament dels mamífers L’embrió tenen les membranes dels ous amniotes, però amb funcions diferents. L’al·lantoide no serveix per emmagatzemar residus, però permet l’intercanvi de gasos i donen lloc a la formació del cordó umbilical. El còrion dóna lloc a la placenta i secreta hormones per evitar el rebuig de la mare del embrió.
La majoria d’òvuls de mamífers tenen poc vitel, ja que es desenvolupa la placenta; no presenta components materns i l’activació dels gens zigòtics és donen en 12-24h. Una altra diferencia es dona lloc a un clivellament rotacional, essent el primer pla de divisió meridional pero la segona es diferent pels dos blastòmers, per un serà meridional i l’altra serà equatorial, i hi ha una certa asincronia en les divisions cel·lulars.
En l’estadi de vuit cèl·lules hi ha un estadi de compactació del embrió ja que es dóna una polarització del embrió. Les cèl·lules més externes desenvolupen microvilli i tight junctions, i les internes desenvolupen GAP junctions. Els blastòmers exteriors donaran lloc al trofoblast i al còrion i els interiors a la llarga donaran lloc a la inner cell mast (ICM) que és d’on es derivarà en l’embrió; durant un procés de cavitació.
Aquesta cavitació es genera perquè el trofoblast forma un gradient de sodi que permet l’entrada d’aigua formant el blastocel.
El desenvolupament dels mamífers és regulatiu, per tant un blastòmer pot generar un nou individu, si aquest blastòmer és anterior al estadi de 64 cèl·lules.
És en aquests estadis del clivellament que es generen els bessons monozigòtics, però en funció de quan es doni la divisió, les estructures extraembrionàries seran diferents.
Sembla ser que la via hippo es la via clau per la diferenciació entre la ICM i el trofoblast. Es una via que funciona pel contacte entre cèl·lules, i permet mesurar la densitat cel·lular i això regula la proliferació i apoptosi. Si tenen una gran densitat de cèl·lules això activa a LATS que impedeix l’expressió de gens com Cdx2. Per diferenciar-se en trofoblast s’ha d’expressar cdx2 i només que mantenen la identitat del trofoblast inhibint Oct4 que manté la pluripotència en els estadis més joves del desenvolupament conjuntament amb Stat 3. L’embrió derivarà del epiblast que es diferencia del hipoblast expresant Nanog, en canvi l’hipoblast expressarà Gata 6 i donarà l’endoderm extraembrionari.
Cèl·lules mare Cèl·lula mare és una cèl·lula indiferenciada i amb capacitat de renovarse. Distingim tres tipus de cèl·lules mare, les embrionàries que són les que fan servir per formar l’embrió; les cèl·lules mare adultes, que són les que s’utilitzen per renovar teixits i òrgans; i després les cèl·lules induïdes pluripotents que s’han reprogramat i es comporten com cèl·lules mare embrionari. Hi ha una quarta varietat que son les càncer stem cell que són les que desencadenen els tumors i son fonts de cèl·lules malignes.
Les cèl·lules iPS s’indueixen a partir de 4 factors de transcripció capaços de tirar enrere el procés de diferenciació, utilitzant KLF4, SOX2, c-Myc i Oct-3/4.
El nínxol de la cèl·lula mare, o sigui el seu microentorn, regula el seu comportament. Hi ha uns mecanismes extracel·lulars que venen mediats per molècules d’adhesió cel·lular, factors solubles i mantenen els cèl·lules mares en un estat indiferenciat.
El control epigenètic permet la diferenciació de les cèl·lules de tal manera que s’inhibeixen certs gens.
Nota: El tema de desenvolupament vegetal no s’explica ja que l’ha fet molt ràpid i en un dia.
Mirar de fisio vegetal el desenvolupament i el sistema ABC dels gens homeòtics florals (Tema 9).
...

Tags:
Comprar Previsualizar