Neurale Entwicklung und Plastizität I

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1 Neurale Entwicklung und Plastizität I 1. Neurogenese 1.1 Proliferation 1.2 Zelldetermination und Zellstammbäume 2. Molekulare Kontrolle der neuralen Entwicklung 2.1 Mechanismen der Genregulation Das Epigenom Regulation der Transkription Prä-mRNA-Splicing 2.2 Induktion durch Zell-Zell-Kontakt: Das Delta-Notch-Signalsystem 2.3 Induktion durch Hormone und Wachstumsfaktoren: Differenzierung von sympathoadrenalen Vorläuferzellen Literatur: Dudel et al., Neurowissenschaft (Springer) Kandel et al., Principles of Neural Science (McGraw-Hill) Reichert, Neurobiologie (Thieme) Zach et al., An Introduction to Molecular Neurobiology (Sinauer)

2 Neurogenese Befruchtete Eizelle Wachstum Blastula Einstülpung Gastrula Kernfragen: - Wie entsteht aus dem Ektoderm das Neuroektoderm - Wie entsteht aus dem Neuroektoderm das Nervensystem? Neuralisierende und regionalisierende Signale

3 Entwicklung des Zentralnervensystems Neuralrohr (entsteht bei Neurulation (Einstülpung des dorsalen Ektoderms bei der frühen Organogenese)) Hinterer Teil Rückenmark Vorderer Teil Blasen Gehirn (Segmentierte Struktur)

4 Determination: Festlegen einer Zellpopulation auf einen zukünftigen Differenzierungsweg Proliferative Vorläuferzellen im Neuroektoderm Neuronale Vorläuferzellen (Neuroblasten) Gliale Vorläuferzellen Epidermale Zelltypen Nervenzellen Gliazellen

5 Induktion: Interaktiver Vorgang, der zur Differenzierung einer Zellpopulation führt Erfolgt häufig durch Hemmung einer anderen Entwicklungsrichtung Neurogene Fähigkeit in den Zellen des Ektoderms wird durch Moleküle der BMP ( bone morphogenetic protein )-Familie unterdrückt

6 Proliferation Proliferation neuronaler Vorläuferzellen ist auf bestimmte Zonen beschränkt Bei der Entwicklung des ZNS vor allem Innenseite (Ventrikelseite (apikale Seite) des Neuralrohrs)

7 Proliferation Proliferation neuronaler Vorläuferzellen ist auf bestimmte Zonen beschränkt Bei der Entwicklung des ZNS vor allem Innenseite (Ventrikelseite (apikale Seite) des Neuralrohrs) Radialglia Symmetrische Zellteilung Asymmetrische Zellteilung Symmetrische Zellteilung: Produktion von Stammzellen Asymmetrische Zellteilung: Produktion einer Stammzelle und einer postmitotischen Zelle (Nervenzelle)

8 Neuronale Differenzierungsvorgänge Determination beruht letztlich auf der (irreversiblen) Modulation der Genexpression Ergebnis von zwei Klassen von Mechanismen: - Abstammungsmechanismen (genetische Mechanismen) - Positionsmechanismen (epigenetische Mechanismen) Im menschlichen Gehirn: etwa Nervenzellen Weniger als Gene im menschlichen Genom Mehr als 3 Millionen mal so viel Nervenzellen wie Gene Neuronale Differenzierung meist Ergebnis beider Mechanismen

9 Genetisch determinierter Zellstammbaum Ausnahme: Niedere Organismen Wichtiger Modellorganismus: der Bodennematode Caenorhabditis elegans Nervenzellen - ca Gene - Nervenzellen stammen in stereotyper Weise von ihrer jeweiligen Vorläuferzelle ab

10 Molekulare Kontrolle der neuronalen Entwicklung Hierarchie der Genregulation

11 Molekulare Kontrolle der neuronalen Entwicklung: Das Epigenom epigenetischer Zustand einer Zelle - epigenetischer Code - epigenetische Vererbung Beeinflussung der Transkription eines Gens durch - Transkriptionsfaktoren - Interferenz-RNA - DNA-Methylierung - Histonmodifikationen ( Histon-Code, z.b. Acetylierung von Lysinen der Kernhistone eines Nukleosoms, Phosphorylierung von Serinen, Mono- bis Trimethylierung von Lysinen, Methylierung von Arginin, Ubiquitinylierung, Poly(ADP)-Ribosylierung)

12 Molekulare Kontrolle der neuronalen Entwicklung: 1. Transkriptionsfaktoren Modell: PC12 Zellen + NGF Expression neuronaler Proteine Erstes nukleäres Ereignis: Induktion von fos und jun mrna Heterodimer aus fos und jun Protein bindet an der sog. TRE-Stelle ( enhancer- Element bestehend aus 7 bp) in der regulatorischen Region verschiedener Gene

13 Molekulare Kontrolle der neuronalen Entwicklung: 2. DNA-Methylierung DNA-Methylierung erfolgt häufig an CpG islands (CGIs) (kurze CG reiche Sequenzen), wobei 5-Methylcytosin gebildet wird. CGIs sind häufig an Positionen, an denen die Transkription initiiert wird Methylierung inhibiert die Transkription

14 Molekulare Kontrolle der neuronalen Entwicklung: 3. Prä-mRNA-Spleißen Prä-mRNA enthält kodierende (Exons) und nicht-kodierende Sequenzen (Introns) 30-60% der mernschlichen Gene werden alternativ gespleißt: Produktion eines komplexen Proteoms von verschiedenen Proteinen aus relativ wenigen Genen (~ Gene im Menschen) Spleißen erfolgt im Spliceosom: besteht aus small nuclear RNA (snrnas), verschiedenen nukleären Proteinen, und der Prä-mRNA (Plaschka et al. (2017) Structure of a precatalytic spliceosome. Nature 546: )

15 Induktion durch Zell-Zellkontakt: Das Delta-Notch Signalsystem Untersuchungen in Drosophila Neurogene Mutationen: Mutanten, die zuviele Neuroblasten haben Konzept der lateralen Inhibition: Benachbarte Neuroblasten verhindern, daß sich ektodermale Zellen zu Neuroblasten entwickeln Besonders gut untersucht ist die Notch-Mutante

16 Notch und Delta Notch Genprodukt: Transmembranprotein (300 kd) cytoplasmatische Domäne (C-Terminus) große extrazelluläre Domäne (N-Terminus) 36 EGF-like repeats als Protein-Protein Interaktionsdomäne Delta Genprodukt: kleineres Notch-homologes Transmembranprotein 9 EGF-like repeats in der extrazellulären Domäne Notch (Rezeptor) und Delta (Ligand) interagieren direkt miteinander in einer Calcium-abhängigen Weise Aktivierung des Notch-Rezeptors führt zur Hemmung der proneuronalen Genaktivität Kontrolle des Zellschicksals mittels nukleärer regulatorischer Gene ( helix-loophelix -Klasse von Transkriptionsfaktoren)

17 Wirkung durch selbstverstärkende Rückkopplung Aktivierte Notch-Rezeptoren setzen die Expression von Delta (und anderer neurogener Gene) herab geringere Aktivierung der Notch-Rezeptoren in der Nachbarzelle hohe Expression von Delta Entwicklung von Neuronen (viel Delta) und Gliazellen (wenig Delta)

18 notch signalling ist stark konserviert und bei Mehrzellern weitverbreitet (z.b. Entwicklung von Blutzellen, Immunantwort, Nierenentwicklung, Entwicklung von Blutkapillaren, Regulation der Anzahl an Stammzellen) Aktivierung von Notch erfordert eine charakteristische proteolytische Spaltung die zur Freisetzung einer intrazellulären Domäne (NICD) führt, die direkt die Transkription kontrolliert

19 Induktion durch Hormone und Wachstumsfaktoren: Differenzierung von sympathoadrenalen Vorläuferzellen Ursprung: Zellen der Neuralleiste ( neural crest cells ) die sich von der dorsalen Seite des Neuralrohres trennen und zunächst multipotent sind. Zellen der Neuralleiste sind Vorläufer des peripheren Nervensystems (PNS) Wandern zur ventralen Seite, dabei werden einige zu sympathoadrenalen Vorläuferzellen festgelegt. Differenzierung in eine von zwei Richtungen: - chromaffine Zellen (Nebennierenmark) - Neurone des Sympathicus (PNS)

20 Induktion durch Hormone und Wachstumsfaktoren: Differenzierung von sympathoadrenalen Vorläuferzellen Glucokortikoidhormone Chromaffine Zellen sympathoadrenalen Vorläuferzellen FGF, NGF,?? Neurone d. Sympathicus Glucokortikoidhormone: Binden an cytosolischen Rezeptor, Hormon-Rezeptorkomplex gelangt in den Kern und bindet an spezifische Gene und reguliert die Transkription Doppelte Rolle: induziert chromaffinzell-spezifische Gene und inhibiert neuronen-spezifische Gene FGF, NGF: Binden an Membran-Rezeptor, Extrazelluläre Liganden-bindende Domäne, intrazelluläre Tyrosinkinase-Domäne Ligandenbindung induziert Rezeptordimerisierung und Tyrosinphosphorylierung von downstream Tyrosinkinasen (z.b. src im Falle von NGF) und Aktivierung von kleinen GTPasen (ras im Falle von NGF)

21 Die neurogene Nische Mikroumgebung in der Stammzellen vorkommen (Zell-Zell Interaktionen, Zell-ECM-Interaktionen, Wachstumsfaktoren, physikochemische Umgebung) Neurogenese im (adulten) Gehirn: - Riechkolben - Hippocampus (subgranuläre Zone des Gyrus dentatus)