Do ECTODERMA ao SISTEMA NERVOSO. ou Como fazer um neurônio? Irene Yan embriomol.wordpress.com

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1 Do ECTODERMA ao SISTEMA NERVOSO ou Como fazer um neurônio? Irene Yan embriomol.wordpress.com 1

2 Anatomical aspects of early neural development A formação do tubo neural se dá pela elevação das DOBRAS NEURAIS e a perda da conexão do tubo com o ectoderma de revestimento 2

3 Aspectos anatômicos do desenvolvimento neural inicial Epiblasto Ectoderma Neurectoderma Progenitores neurais 3

4 Fenda Neural Placa Neural Ponto de dobradiça Dobra Neural 1. Indução da formação da PLACA NEURAL pelo Mesoderma (Mudança na forma celular, expressão de marcadores gênicos) 2. Associação da Placa Neural com a Notocorda subjacente; constrição apical nas células da borda da Placa Neural 3. Dobramento da Placa Neural 4

5 1. A convergência do Tubo Neural é uma combinação de fatores: Pressão lateral e constrição nos pontos de dobradiça 2. Fusão do Tubo Neural na porção dorsal concomitante com a Migração da Crista Neural A migração das células da Crista Neural ocorre durante o fechamento do Tubo Neural 5

6 Epiblast Ectoderma Neurectoderma Progenitores Neurais Indução Padronização Diferenciação sobre sinalização celular

7 1. Como o neurônio se diferencia do ectoderma? 1. Já que o genoma das células de um embrião são iguais, o que faz com que uma célula seja diferente da outra? Como o neurônio se diferencia do ectoderma? 1. Já que o genoma das células de um embrião são iguais, o que faz com que uma célula seja diferente da outra? Expressão de genes e proteínas celulares 14 7

8 1. Como o neurônio se diferencia do ectoderma? 1. Já que o genoma das células de um embrião são iguais, o que faz com que uma célula seja diferente da outra? Expressão de genes e proteínas celulares 2. O que determina o perfil de expressão celular? 15 Durante a embriogênese, a célula integra diversos sinais extracelulares (ligantes) para determinar seu perfil de expressão gênica 16 8

9 Existem várias formas de receber ligantes extracelulares: Por contato direto Por difusão de proteínas extracelulares Por matriz extracelular 17 Durante a embriogênese existem vários TIPOS de LIGANTES EXTRACELULARES FGF(Fibroblast Growth Factor) Wnt BMP(Bone Morphogenic Protein) Ácido Retinóico Shh(Sonic Hedgehog) 18 9

10 19 O domínio neural já é especificado no epiblasto da blástula 20 10

11 Ou seja, já na blástula as células do epiblasto : região central expressam genes de precursor neural região periférica expressam genes de precursores epidérmicos Neural Epidermal 21 A diferença entre a região neural e não neural é consequência da presença ou ausência de BMP (sinal azul) no epiblasto: região central ausente região periférica presente BMP

12 O BMP (Bone Morphogenic Protein) é uma proteína extracelular que atua como ligante de uma via de sinalização, culminando na repressão ou ativação gênica 23 A notocorda contribui para a diferenciação da PLACA NEURAL, precursor do sistema nervoso Placa Neural Fenda Neural * * * A placa neural tem origem ectodérmica 24 12

13 A notocorda secreta proteínas que inibem a sinalização do BMP (Bone Morphogenic Protein) Noggin, um inibidor de BMP 25 Os inibidores de BMP são proteínas extracelulares atuam evitando a ligação de BMP com o seu Receptor 26 13

14 EMBRIÃO DE ANFÍBIO COM EXCESSO DE CHORDIN (inibidor de BMP) controle Chordin em excesso 27 Epiblast Ectoderma Neurectoderma Progenitores Neurais Indução Padronização Diferenciação 14

15 Mas isto é suficiente para determinar todos os compartimentos rostro-caudais do tubo neural? sobre o eixo rostro-caudal do tubo neural 15

16 Prosencéfalo Mesencéfalo PROSENcéfalo MESENcéfalo TELENcéfalo DIENcéfalo Rombencéfalo ROMBENcéfalo METENcéfalo MIELENcéfalo Prosencéfalo Mesencéfalo Telencéfalo Diencéfalo Hemisfério cerebral Lóbulos olfatórios Epífise; Tálamo; Hipotálamo I Infundíbulo Colículos; pedúnculo cerebral Rombencéfalo Metencéfalo Mielencéfalo Cerebelo Ponte Bulbo Medula Espinhal 16

17 O MIELENCÉFALO é dividido em segmentos chamados de rombômeros Ao todo, são visíveis anatomicamente 7 rombômeros Nat Rev Neurosci Jul;6(7):

18 Cada rombômero expressa genes distintos Eliane Rossi Rossi, E., Siwiec, F. & Yan, C.Y.I., Brazilian journal of medical and biological research 40(10), pp Nat Rev Neurosci Jul;6(7): As estruturas do Sistema Nervoso Central de Primatas e outros mamíferos são similares 36 18

19 37 Lumsden, A. & Graham, A., Current Biology, 5(12), pp

20 PADRONIZACÃO ROSTRO-CAUDAL DO TUBO NEURAL Lumsden, A. & Graham, A., Current Biology, 5(12), pp Existe um outro sinal que determina o padrão rostro-caudal? Otto Mangold s experiment Mesoderm graft Ectoderm Embryonic response Secondary neural axis AP level Rostral Ectoderm Midbrain Ectoderm Midbrain Ectoderm Caudal Modified from Stern, C.D., Nature reviews. Neuroscience, 2(2), pp

21 Existe um outro sinal que determina o padrão rostro-caudal? Otto Mangold s experiment O mesoderma subjacente à placa neural provê uma gradiente de sinais padronizadores. Exposição a excesso de ÁCIDO RETINOICO gera mutantes caudais (com tubo neural caudal apenas) control Retinoic Acid 21

22 Existe um outro sinal que determina o padrão rostro-caudal? Otto Mangold s experiment O mesoderma subjacente à placa neural provê uma gradiente de sinais padronizadores. MAS ISTO È SUFICIENTE??!! Cada rombômero expressa genes distintos Eliane Rossi Rossi, E., Siwiec, F. & Yan, C.Y.I., Brazilian journal of medical and biological research 40(10), pp Nat Rev Neurosci Jul;6(7):

23 The Mid-hindbrain compartments express specific markers Otx2: rostral to isthmus Gbx2: caudal do Isthmus En1: caudal mesencephalon, at the Isthmus, rostral metencephalon Wang, V.Y. & Zoghbi, H.Y., Nature reviews. Neuroscience, 2(7), pp Vieira, C. et al., The International journal of developmental biology, 54(1), pp Does the isthmus have ORGANIZER properties (determine patterning)? Or Will the isthmus re-pattern the graft? Flip rostro-caudally Wang, V.Y. & Zoghbi, H.Y., Nature reviews. Neuroscience, 2(7), pp

24 The isthmus can re-specify the rostro-caudal pattern in the mesencephalon control transplant transplant control transplant Engrailed Isthmus Martinez, S. & Alvarado-Mallart, R.M., Developmental biology, 139(2), pp Existem várias formas de receber ligantes extracelulares: Por contato direto Por difusão de proteínas extracelulares? Por matriz extracelular 24

25 A região do istmo expressa FGF FGF(Fibroblast Growth Factor) Wnt BMP(Bone Morphogenic Protein) Ácido Retinóico Shh(Sonic Hedgehog) HIPÒTESE: O FGF do istmo determina o padrão rostro-caudal do mesencéfalo O QUE ACONTECERIA COM O MESENCÉFALO NA SITUAÇÃO DE excesso DE FGF? 50 25

26 normal excesso Ms= mesencéfalo O FGF é a) Suficiente para expansão do mesencéfalo b) Necessário para expensão do mesencéfalo c) Necessário e suficiente d) Impossível dizer PADRONIZACÃO ROSTRO-CAUDAL DO TUBO NEURAL Lumsden, A. & Graham, A., Current Biology, 5(12), pp

27 Os segmentos do tubo neural recebem vários sinais extracelulares Nature Reviews Neuroscience 2, (February 2001) A identidade de cada segmento é o resultado do somatório de sinais Shh+Wnt Shh+Wnt+BMP Nature Reviews Neuroscience 2, (February 2001) 27

28 Epiblast Ectoderma Neurectoderma Progenitores Neurais Indução Padronização Diferenciação PADRONIZACÃO DORSO-VENTRAL DO TUBO NEURAL Lumsden, A. & Graham, A., Current Biology, 5(12), pp

29 sobre o eixo DORSO-VENTRAL do tubo neural Dica do dia: Vias AFERENTES: Aceita estímulo sensoria Fica ACIMA/dorsal Vias EFERENTES: Emite estímulo Motor Fica Ventral 29

30 As vias AFERENTES sensoriais conectam com o corno Dorsal As vias EFERENTES motoras são formadas no corno ventral Placa Alar (dorsal e sensitivo- AFERENTE) Placa Basal (ventral e motor EFERENTE) 30

31 Assimetria dorso-ventral do sistema nervoso central Lupo, G., Harris, W. a & Lewis, K.E., Nature reviews. Neuroscience, 7(2), pp

32 A formação do tubo neural se dá pela elevação das DOBRAS NEURAIS e a perda da conexão do tubo com o ectoderma de revestimento 32

33 O Tubo neural está numa posição anatômica assimétrica: Dorsal: Epiderme Ventral: Notocorda Lumsden, A. & Graham, A., A forward role for Hedgehog. Current Biology, 5(12), pp HIPÓTESE: A assimetria dorso-ventral da medula espinhal é consequência da assimetria DV do tubo neural embrionário 33

34 Comprovação: Transplante de notocorda na região lateral induz motoneurônios Moto neurônios TRANSPLANTE DE NOTOCORDA NOTOCORDA NOTOCORDA The neural tube is generated with a molecular assymmetry: Dorsal: Epidermis > BMP family members Ventral: Notochord > Sonic Hedgehog > BMP inhibitors BMPs / Shh Liem, K.F., Jessell, T.M. & Briscoe, J., Development 127(22), pp Gilbert Developmental Biology 8 th ed. 34

35 HIPÓTESE? Shh gera motoneurônios COMO TESTAR ESTA HIPÓTESE? 35

36 A aplicação de Shh na região dorsal do tubo neural gera motoneurônios Tubo neural normal Marcado para motoneurônio Tubo neural com Shh/Vhh Marcado para motoneurônio (Roelink et al, 1994) Camudongos com deleção para o gene Shh carecem de motoneurônios Normal Mutante Detecção de motoneurônio Nature 412, (12 July 2001) 72 36

37 The relative proportion of Shh vs BMP signalling determines cell fate in the DV axis Existe uma relação de doseresposta para Shh e BMP? 37

38 A concentração relativa de Shh e BMP determina a identidade do neurônio no eixo DV Shh BMP Liem, K.F., Jessell, T.M. & Briscoe, J., Development, 127(22), pp sobre síndromes

39 O Shh é produzido na notocorda, tubo digestório e broto do membro 77 Camudongos com deleção para o gene Shh carecem de motoneurônios e apresentam anomalias do S. Nerv. Central, dos membros e do sist. Digestório Normal Mutante Detecção de motoneurônio Nature 412, (12 July 2001) 78 39

40 Camudongos com EXCESSO do gene Shh apresentam polidactilia 79 Síndromes = Efeito Eddie Murphy 80 40

41 81 BMP Shh Lumsden, A. & Graham, A., Current Biology, 5(12), pp

42 Populações celulares em posições diferentes recebem estímulos extracelulares distintos 1 Shh+Wnt Shh+Wnt+BM 3 Nature Reviews Neuroscience 2, (February 2001) E tem mais... Lupo, G., Harris, W. a & Lewis, K.E., Nature reviews. Neuroscience, 7(2), pp

43 1. MATRIX 1. MATRIX 43

44 O somatório de todos os sinais forma uma matriz em 3D que determina a via de diferenciação 2. DECISÕES Waddington s Hill: A visual model to explain the process of differentiation 44

45 Induction Epithelium Ectoderm Neural Rostral-caudal Dorso-ventral Patterning Neural RA, FGF, Wnt Neural BMP Shh Neural Neural Proliferation Differentiation E não se esqueçam, células se movem durante a embriogênese. 45

46 Síndromes 3. = Efeito EDDY Eddie MURPHY Murphy 46