Sistema Nervoso inicial:

Transcrição

1 MEDICINA NEUROHISTOLOGIA E NEUROEMBRIOLOGIA HUMANA PCI NERVOSO E LOCOMOTOR Sistema Nervoso inicial: A função do Organizador e a Indução Neural PowerPoint Lecture Slide Presentation and Copyright 2010 by Dra. Iêda M. L. Guedes, Neurobiologista celular e molecular e Professora da Universidade Federal do Pará Copyright 2004 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings

2 A FUNÇÃO DO ORGANIZADOR E A INDUÇÃO NEURAL O que estudaremos? Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação Placa neural é induzida no ectoderme Padronização do sistema nervoso é determinada por sinais provenientes do mesoderme Limite entre mesencéfalo e romboencéfalo definido pelo Organizador Romboencéfalo é segmentado em rombômeros por limites de restrição de linhagens celulares Células da crista neural surgem a partir dos bordos da placa neural A informação posicional no desenvolvimento do romboencéfalo é fornecida pelos genes Hox A padronização do embrião é feita durante o estágio de nêurula

3 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação ORGANIZADOR Centro organizador ou região organizadora centro de sinalização que orienta o desenvolvimento do embrião ou de parte dele Nó de Hensen ou primitivo

4 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação Gástrula inicial - organizador - lábio dorsal blastóporo enxerto porção blastóporo - gástrula inicial lado ventral outro embrião embrião completo enxerto com centro de Nieuwkoop região precursora do mesoderma - resultado similar Em comum formação nova região organizadora de Spemann O organizador tem organizadores funcionalmente separados para as regiões de cabeça, tronco e cauda? Experimentos - enquanto da gástrula jovem eixo corporal completo e SN enxerto lábio dorsal - gástrula média tronco/cauda não cabeça

5 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação Avanço gastrulação/internalização células composição celular lábio muda

6 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação Gástrula inicial - organizador -lábio dorsal blastóporo Indução neural Hans Spelman/Hilde Mangold

7 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação A medida que a gastrulação avança eixo ântero-posterior torna-se especificado, as células que formam o organizador em estágios tardios induzem apenas estruturas posteriores alteração na quantidade de indutores

8 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação RESSALTAR LÁBIO DORSAL GÁSTRULA INICIAL ORIGINA ENDODERME ANTERIOR/ MESODERMA PROSPECTIVO DA CABEÇA/ CORDOMESODERMA (NOTOCORDA) ORGANIZADOR SPEMANN - GÁSTRULA INICIAL CENTRO ORGANIZADOR COMPLEXO POSSUI VÁRIAS PARTES DIFERENTES GENES DISPOSIÇÃO MUDA AVANÇO GASTRULAÇÃO

9 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação Nó de Hensen equivalente Spemann Célula para: mesoderme cabeça, endoderme intestino, somitos e Notocorda, e, sinais indutores Transplante nó - codorna embrião pinto Embrião estágio cefálico - enxertado sob o epiblasto mesmo estágio desenvolvimento eixo adicional com somitos sem tecido neural anterior Estágio inicial embrião completo Camundongo nó transplantado epiblasto lateral embrião inicial duplicação embrião sem prosencéfalo Encéfalo anterior requer sinais adicionais do endoderme visceral anterior forma-se antes da linha primitiva

10 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação Nó de Hensen

11 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação Nó de Hensen

12 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação

13 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação Encéfalo anterior requer sinais adicionais do endoderme visceral anterior forma-se antes da linha primitiva

14 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação Encéfalo anterior requer sinais adicionais do endoderme visceral anterior forma-se antes da linha primitiva

15 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação Encéfalo anterior requer sinais adicionais do endoderme visceral anterior forma-se antes da linha primitiva

16 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação Genes região do Organizador Genes fatores transcrição Genes proteínas secretadas Goosecoid organizador inicial expresso células - intestino anterior, placa pré-cordal e notocorda Mimetiza quase todas as funções organizador mrna goosecoid injetado blastômeros ventrais eixo secundário sem cabeça Sinais adicionais envolvidos na indução cabeça e SNC

17 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação Funções diferentes mesmas proteínas diferentes organismos Xenopus formação da cabeça inibição BMP, Wnt e Nodal indução ectópica por inibição BMP e Wnt gástrulas iniciais Cordina, Noggin e folistatina antagonizam BMP Dickkopf antagoniza Wnt Cerberus inibe Wnt, Nodal e BMP Embora muitas proteínas sejam produzidas no Organizador e em torno dele, em diferentes vertebrados, elas não têm, todas, precisamente as mesmas funções em todos os modelos experimentais

18 Capacidade indutora do Organizador muda durante a gastrulação 2

19 Placa neural é induzida no ectoderme Sistema nervoso induzido durante a gastrulação Visto Xenopus gástrulas iniciais - transplante de organizador na epiderme presuntiva SN Xenopus epiderme prospectiva (ectoderme ventral) transplantada epiderme dorsal (tecido neural prospectivo) epiderme desenvolve com tecido neural: SINAL INDUTOR Tecido neural induzido epiblasto pinto enxerto mesoderme da linha primitiva (Nó de Hensen): Atividade indutora sequência 1. Nó de Hensen 2. região de mesorme pré-somítico 3. est. 4 somitos desaparece atividade 4. mesmo tempo desaparece - capacidade ectoderme responder

20 Placa neural é induzida no ectoderme Sistema nervoso induzido durante a gastrulação Xenopus transplante de organizador SINAL INDUTOR

21 Placa neural é induzida no ectoderme Indução mesodérmica - BMP (bone morphogenetic protein) BMP expresso toda ectoderme Perdida na placa neural Indução neural produção proteínas organizador ligam BMP removendo ação inibidora Cordina/noggin Remoção de BMP não formação SN Copyright 2010 by 23/05/2013 Iêda Guedes

22 Placa neural é induzida no ectoderme Destino do ectoderme é Sistema nervoso Modelo de ausência (default) Estado-padrão (default state) ectoderme dorsal desenvolver tecido neural Rota bloqueada BMPs destino epidérmico Função do organizador remover a inibição BMPs bloqueio da atividade Remoção de cordina, noggin e folistatina falha desenvolvimento neural e outras estruturas dorsais e efeito ventralizante e posteriorizador

23 A função do Organizador e a Indução Neural Placa neural é induzida no ectoderme Falha no Modelo de ausência (default) Demonstrada em experimento de indução neural Xenopus/pinto mesmo com bloqueio BMP (Noggin e cordina) - FGF requerido FGF (hipoblasto-pinto) ativa genes requeridos indução neural (ex Churchill ) não ativados BMPs Churchill inativado placa neural não se forma Churchill: reprime genes da mesoderme - ativa fator de transcrição neural Sox2 Vertebrados - outros genes além FGF/BMP - Indução Neural

24 Placa neural é induzida no ectoderme FGF ativa rota sinalização quinase ativada mitógeno (MAP) MAP-quinase fosforilação inibidora Smad-1 rota sinalizadora da BMP Esquema Ras-Raf-MAPK

25 Placa neural é induzida no ectoderme BMP limite placa neural Bloqueio por injeção bordo estreitamento Antagonista BMP - alargamento Vertebrados duas decisões separadas formação placa neural: Destinos mesodérmicos/ectodérmicos neural células epiblásticas margem medial e placa neural prospectiva FGF e Churchill Margens laterais da placa neural (ectoderme neural e epiderme se encontram) inibição da sinalização de BMP Indução neural: complexo processo múltiplas etapas primeiros estágios blástula antes da região organizadora ser detectável Conservação evolutiva nós pinto induz Xenopus

26 Placa neural é induzida no ectoderme Medula espinhal não extensão da placa neural mais posterior células-tronco desenvolve extremidade

27 Padronização do sistema nervoso por sinais provenientes do mesoderme 1ª INDICAÇÃO PLACA NEURAL É PADRONIZADA POR SINAIS PROVENIENTES DO MESODERME Pedaços de mesoderme diferentes posições eixo ântero-posteior - nêurula tristão Implantados blastocele embrião inicial Induzem estruturas neurais sítio do emplante Observa-se: PEDAÇOS DO MESODERME ANTERIOR INDUZEM CABEÇA COM CÉREBRO PEDAÇOS POSTERIORES INDUZEM TRONCO COM MEDULA ESPINNHAL Logo: ESTRUTURAS FORMADAS CORRESPONDEM Á POSIÇÃO ORIGINAL DO MESODERME TRANSPLANTADO

28 Padronização do sistema nervoso por sinais provenientes do mesoderme 1ª INDICAÇÃO PLACA NEURAL É PADRONIZADA POR SINAIS PROVENIENTES DO MESODERME

29 Padronização do sistema nervoso por sinais provenientes do mesoderme 2ª INDICAÇÃO ESPECIFICIDADE POSICIONAL NA INDUÇÃO Pedaços de placa neural Implantados sob o ectoderme outra gástrula Induzem estruturas neurais - ectoderme Observa-se: INDUÇÃO DE ESTRUTURAS NEURAIS REGIONAIS SIMILARES NO ECTODERME ADJACENTE Logo: CONFIRMA-SE QUE OCORRE ESPECIFICIDADE POSICIONAL NA INDUÇÃO

30 Padronização do sistema nervoso por sinais provenientes do mesoderme INDICAÇÕES EXPRESSÃO GÊNICA NO ECTODERME PODE SER INFLUENCIADA PELA EXPRESSÃO GÊNICA NO MESODERME Observa-se: CO-EXPRESSÃO VÁRIOS GENES Hox NA NOTOCORDA, NO MESODERME E NO ECTODERME PRÉ- SOMÍTICOS NA MESMA POSIÇÃO AO LONGO DO EIXO ÃNTERO-POSTERIOR Xlhbox 1 Xenopus oxb1 camundongo Co-expressão acima

31 Padronização do sistema nervoso por sinais provenientes do mesoderme Genes Hox padronização do romboencéfalo não detectado - tecido neural anterior: prosencéfalo e mesencéfalo Fatores de transcrição com homeodomínio Otx e Emc - regiões anteriores ao romboencéfalo cérebro anterior Otx (camndongo) e ortodenticle (Drosophila) homólogos ex conservação da função gênica ortodenticle - região posterior futuro cérebro - mutações resultam cérebro reduzido Otx1 - domínios sobrepõem prosencéfalo mutações anormalidade cerebrais e epilepsia Otx2 - romboencéfalo Mutação Otx parcialmente recuperado ortodenticle Gene Otx humano recupera mutantes ortodenticle

32 Padronização do sistema nervoso por sinais provenientes do mesoderme Modelos padronização ectoderme neural - Xenopus 1. Indutores qualitativamente diferentes diferentes posições eixo ântero-posterior 2. Padronização por dois sinais diferenças quantitativas nos sinais indutores: - 1º sinal ativador todo mesoderme induz ectoderme tecido neural anterior - 2º sinal transformante transforma parte do tecido identidade mais posterior gradiente no mesoderme mais concentrado extremidade posterior Fatores determinantes de posterioridade: Wnts (Xenopus, pinto, Zebrafish) altas concentrações da proteína células da placa neural identidade mais posterior Ácido retinóico (cam) camundongo endoderma visceral produz sinais inibitórios proteção contra sinais posterioridade

33 Padronização do sistema nervoso por sinais provenientes do mesoderme

34 Padronização do sistema nervoso por sinais provenientes do mesoderme Ectoderma Sinalização por BMPs Sinalização por BMPs Cordina Noguina Folistatina Bloqueio da sinalização por BMPs Ácido retinóico FGF8 Ectoderma epidérmico Placa neural (anterior) Placa neural (posterior) Definição Rostrocaudal

35 Limite entre mesencéfalo e romboencéfalo definido pelo Organizador ROMBOENCÉFALO ORGANIZAÇÃO SEGMENTADA Prosencéfalo e mesencéfalo não segmentados

36 Limite entre mesencéfalo e romboencéfalo definido pelo Organizador LIMITE ENTRE MESENCÉFALO E ROMBOENCÉFALO REGIÃO SINALIZADORA (ISTMO) - REGULA PADRONIZAÇÃO DO MESENCÉFALO ESSA REGIÃO ENXERTADA: mesencéfalo anterior - reespecifica o tecido mesencéfalo posterior Prosencéfalo converte o tecido - mesencéfalo ISTMO FGF8 Estruturas posteriores do mesencéfalo Expressão induzida de FGF8 mesencéfalo anterior resulta: Expressão de genes característicos mesencéfalo posterior Perda função FGF8 - Zebrafish mutação acerebelar elimina regiões posteriores mesencéfalo associadas ao Organizador

37 Limite entre mesencéfalo e romboencéfalo definido pelo Organizador

38 Limite entre mesencéfalo e romboencéfalo definido pelo Organizador DESENVOLVIMENTO REGIÃO ORGANIZADORA: 1. expressão Otx2 MESENCÉFALO 2. expressão Gbox2 ROMBOENCÉFALO 3. limite entre Otx2 e Gbox2 desenvolvimento organizador Subsequentemente expresso: no lado mesencéfalo - FGF8 no lado romboencéfalo - Wnt

39 Romboencéfalo é segmentado em rombômeros por limites de restrição de linhagens celulares Padronização região posterior cabeça/ romboencéfalo: Segmentação do tubo neural eixo ântero-posterior Não ocorre medula espinhal somitos impõem um par de gânglios RD e nervos motores ventrais por somito Embrião 3 dias galinha três sistemas segmentados região cefálica posterior: 1. Mesoderme de cada lado da notocorda - somitos 2. Romboencéfalo oito rombômeros 3. Mesoderme lateral arcos branquiais (c/ células crista neural)

40 Romboencéfalo é segmentado em rombômeros por limites de restrição de linhagens celulares Desenvolvimento Cefálica Posterior: Região Modelo de segmentação eixo ântero-posterior Tubo neural nervos cranianos face/pescoço Células crista neural nervos periféricos Arcos faríngeos - parte esqueleto facial 3 primeiros arcos Vesícula ótica orelha

41 Romboencéfalo é segmentado em rombômeros por limites de restrição de linhagens celulares Fechamento tubo neural constrições entre rombômeros divisão celular diferencial/mudança forma: Limite entre rombômeros BARREIRAS DE RESTRIÇÃO DA LINHAGEM CELULAR Formação dos limites CÉLULAS FICAM CONFINADAS AO ROMBÔMERO não atravessam o limite Experimentos de marcação injeção células (rodamina):

42 Romboencéfalo é segmentado em rombômeros por limites de restrição de linhagens celulares

43 Romboencéfalo é segmentado em rombômeros por limites de restrição de linhagens celulares Células de mesmo rombômero - propriedades adesivas impedimento mesclar com células outros rombômeros EFRINAS RECEPTOR EPH (CÉLULA ADJACENTE) SINAIS BIDIRECIONAIS

44 Romboencéfalo é segmentado em rombômeros por limites de restrição de linhagens celulares Definição ântero-posterior do romboencéfalo r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 Genes Hox Outros FT Eph cinases Efrinas Hoxb-1 Hoxb-2 Hoxb-3 Hoxb-4 Kreisler Krox 20 EphA4 EphA2 EphB2 EphB3 Efrina B1 Efrina B2 Efrina B3 ROMBÔMEROS Significado funcional identidade única define seu desenvovimento Link: Crista neural

45 Romboencéfalo é segmentado em rombômeros por limites de restrição de linhagens celulares Cada rombômero UNIDADE DE DESENVOLVIMENTO: Remoção cirúrgica rombômero de separação Rombômeros par/ímpar (r2/r5) novo limite formado Rombômeros ímpar/ímpar (r3/r5) não forma limite Sugestão: CÉLULAS r3/r5 PROPRIEDADES SEMELHANTES Verificação: r3/r5 expressam Epha4 ativados por Kros-20 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7

46 Células da crista neural surgem a partir dos bordos da placa neural INDUÇÃO CRISTAS NEURAIS múltiplos eventos: Indução crista neural múltiplos eventos Gástrula inicial fechamento tubo neural Bordos tubo neural - cristas Modelo de indução das cristas: 1. Duas faixas no ectoderme de cada bordo da placa cristas neurais 2. Níveis de BMP acima do nível bloqueia placa neural 3. Envolvimento sinais Wnt, FGF e ácido retinóico 4. Ativação de fatores de transcrição Sox9 e Sox10 5. Sox ativam gene snail (marcador inicial crista neural)

47 Células da crista neural surgem a partir dos bordos da placa neural Crista neural cranial relação rombômero Experimentos marcação células crista in vivo rota migração Células r2 1º arco Células r4 2º arco Células r6 3º arco Células da crista adquirem valor posicional antes migração Substituição células r4 células r2 ingressam 2º arco faríngeo Desenvolvem em estruturas do 1º arco pra onde deveriam ter ido Resultado: mandíbula inferior adicional Plasticidade diferenciação final sinais provenientes tecidos onde elas migram

48 Células da crista neural surgem a partir dos bordos da placa neural

49 A informação posicional no desenvolvimento do romboencéfalo é fornecida pelos genes Hox PADRONIZAÇÃO DO ROMBOENCÉFALO Possível papel do Ácido retinóico Ausência perda de rombômeros Excesso transformação destino celular - anterior para posterior EXPRESSÃO DOS GENES Hox base molecular identidade dos rombômeros e da crista neural no romboencéfalo: Nenhum gene Hox expresso na parte anterior da cabeça Genes Hox expresso romboencéfalo - padrão definido relacionado padrão segmentar Três grupos de parálogos margens anteriores expressão diferentes

50 A informação posicional no desenvolvimento do romboencéfalo é fornecida pelos genes Hox

51 A informação posicional no desenvolvimento do romboencéfalo é fornecida pelos genes Hox PADRÃO DE EXPRESSÃO GENES Hox no ectoderme e arcos branquiais eixo ântero-posteior - similar tubo neural e cristas neurais Experimentos de transplante rombômero Posição anterior para outra posterior Altera o padrão de expressão do gene Hox Torna-se igual ao padrão do local do implante Sinais responsáveis reprogrmação provenientes do tubo neural Origem no tubo neural Não no tecido circundante

52 A informação posicional no desenvolvimento do romboencéfalo é fornecida pelos genes Hox Expressão do gene Hoxb2 Apesar expresso r3, r4 e r5 Expressão r3 e r5 independente r4 Regiões reguladoras Hoxb2 duas regiões cisreguladora Expressão r3 e r5 controlada por uma Expressão r4 outra lacz enhancer Hoxb2 rombômero 3 e 5 Hoxb2 ativado Krox-20 Krox-20 PADRÃO DE EXPRESSÃO DOS GENES Hox expresso nesses rombômeros não em r4 DNA regulador ativa expressão r3 e r5 - Sítio de ligação Krox-20

53 A informação posicional no desenvolvimento do romboencéfalo é fornecida pelos genes Hox r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 Genes Hox Outros FT Hoxb-1 Hoxb-2 Hoxb-3 Hoxb-4 Kreisler Krox 20 ROMBÔMEROS

54 A informação posicional no desenvolvimento do romboencéfalo é fornecida pelos genes Hox PADRÃO DE EXPRESSÃO DOS GENES Hox Expressão do gene Hoxb4 limite anterior de expressão r6 indução e posicionamento da expressão sinalização no interior do tubo e somitos adjacentes Expressão do gene Hoxb1 FA enhancer Hoxb1 - expresso em r4 axônios motores r2 1º arco axônios motores r4 2º arco expressão ectópica r2 axônios motores 2º arco

55 A informação posicional no desenvolvimento do romboencéfalo é fornecida pelos genes Hox PADRÃO DE EXPRESSÃO DOS GENES Hox Expressão do gene Hoxa2 camundongo nocaute Hoxa2 a segmentação não é afetada afeta populações de crista neural Neurônios/estruturas esqueléticas 2º arco - oriundas r4 Estribo da orelha interna - cartilagem de Meckel - Transformação homeótica de um segmento em outro

56 A informação posicional no desenvolvimento do romboencéfalo é fornecida pelos genes Hox PADRÃO DE EXPRESSÃO DOS GENES Hox Expressão do gene Hoxa2 expressão ectópica de Hoxa2 todos tecidos primeiro arco Transformação homeótica do 1º arco em 2º arco transfecção de Hoxa2 na crista neural anterior prospectiva células desenvolvem normal Estruturas esquelética 1º arco abolida

57 A informação posicional no desenvolvimento do romboencéfalo é fornecida pelos genes Hox PADRÃO DE EXPRESSÃO DOS GENES Hox CONCLUSÃO Durante a gastrulação as células vertebrados adquirem valores posicionais ao longo eixo ântero-posterior Essa identidade posicional é codificadaz pelos genes do complexo Hox Muitas diferenças anatômicas entre os vertebrados são devido a diferenças nos alvos alvos subsequentes dos genes Hox, gerando estruturas diferentes, porém homólogas ( mandíbula dos mamíferos e o bico das aves)

58 A padronização do embrião é feita durante o estágio de nêurula ESTÁGIO NÊURULA JÀ ESTABELECIDO: Plano corporal Membros, coração e outros órgãos Plano corporal filotípico gástrula Posições dos órgãos nêurula: Ainda há sinal visível de diferenciação Potencial para formar determinado órgão confinada regiões Remoção parte da área estrutura normal se forma - membro Transplante região membro formará membro

59 Ter falhado significa ter lutado. Ter lutado significa ter crescido. ( Maltbie E. Babcock)