MEDIZINISCHE EMBRYOLOGIE I 20192020 WINTERSEMESTER Neuralleiste DR ATTILA

MEDIZINISCHE EMBRYOLOGIE I 2019/2020 WINTERSEMESTER Neuralleiste DR. ATTILA MAGYAR 08. 10. 2019

Neuralleiste und Plakoden: Grenzgebiet zwischen Ektoderm und Neuralplatte Wilhelm His (Basel, 1831 -Leipzig, 1904) Er hat im 1868 die NL beschrieben Er hat das Mikrotom in die Histologie eingeführt.

“The neural crest is a very peculiar structure. As it originates so early, it has been called. . . one of the ‘primary organs’ in the development of the vertebrate. But it has only a temporary existence, as its cells are soon dispersed throughout the body, differentiating into various tissues. ” Sven Hörstadius, The neural crest, 1950

Neuralleiste • Neuralleiste: die laterale Randzone der Neuralplatte/des Neuralrohres; • ihre Zellen bleiben weder in dem Ektoderm, noch in dem Neuralrohr, sondern • sie schwärmen als mesenchymartige Zellen aus. • Während Ausschwärmung die NL-Zellen teilen sich mitotisch und differenzieren sich in verschiedenen Zelltypen. • Sie bilden neurale und nicht neurale Strukturen an der Peripherie.

Ausschwärmung der Neuralleiste-Zellen (grün): Sie wandern in dem Mesenchym, zwischen Ektoderm, Neuralrohr, Somiten, Zölomepithel, usw. Inzwischen bekommen sie speziellen Signale von diesen benachbarten Strukturen. Dankbar diesen Signalen differnzieren sie in Nervenzellen, Melanozyten, Knochenzellen, usw. Notochord Neuralrohr Somit Es gibt zwei bedeutende Ausschwärmungswege: der dorsolaterale und die ventrale Notochord Name der NL

Differenzierung der Neuralleiste • Grenzregion der Neuralplatte (neural plate border) wird induziert. • In dieser Region (NPB) werden die Vorläuferzellen der späteren NL induziert (bzw. abgesondert von den präplakodalen Zellen): entstehen die prämigratorische NLZellen (premigratory neural crest) • Delamination, Ausschwärmung der NL-Zellen aus dem Neurektoderm: migratorische NL (migratory neural crest) • Währed der Wanderung der NL-Zellen: Mitosen und Differenzierung der Neuralleiste in ganz verschiednen Zelltypen (wie Melanozyt, Neuron, Gliazelle, Knochenzelle, Knorpelzelle, Mesenchymzelle, glatte Muskelzelle, Odontoblasten)

Warum nennt man die Neuralleiste als Neuralleiste? • Bevor die NL aus dem Neuralrohr ausgewandert haben, bilden sie in dem Kükenembryo eine herausragende, dorsale Kante an den Neuralfalten, die gut oprierbar (abnehmen als gantes) ist, und dadurch eignet sich gut für die Transplantation.

Die Neuralfalten sind noch nicht fusioniert (HH 9, Kükenembryo), die weiße Kante enthält die NLZellen, noch eingeschlossen in den Neuralfalten.

Induktion von NL-Zellen BMP und Wnt-Signale aus Ektoderm induzieren in der Grenzregion die Expression von Snail, Zeb-2, Foxd 3, Twist in den prämigratorischen NL-Zellen. Snail hemmt Sox 2 und Sox 2 (typisch für Neuralrohr) hemmt Snail: dadurch entsteht eine scharfe Grenze zwischen dem späteren Neuralrohr und NL. Snail: schaltet N- und E-Cadherie (und später Cadh 6 B auch) aus; Cadherin 6 B-Expression ist nur übergangsweise erhalten (nur apikal) Wnt: induziert zytoskelettale Umordnung (Rho, Rac 1) für Migration

Regionen und Produkten der Neuralleiste kraniale NL: Nervenzelle (NZ), Gliazelle (GZ), Mesenchymzelle (MZ), Knorpel, Knochen kardiale NL: NZ, GZ, MZ, Knorpel Bindegewebe (BGW) vagale NL: NZ, GZ Stamm-NL: NZ, GZ, MZ Neuralleiste-Zellen: multipotente Stammzellen

X Epiblast-Signalisierung Region des Ektoderms, die neurale Strukturen bilden: Aus dem Neuralrohr entwickelt sich das ZNS Aus der Neuralleiste entwikeln sich die Nerven- und Gliazellen in der Peripherie aus den Plakoden entwickeln sich Sinnesorganen und bestimmte Kopfganglien

Differenzierung der Neuralleiste • wenn BMP und Wnt ausgeschaltet (gehemmt) (BMP off, Wnt off) werden: entsteht Neuralrohr • BMP wird ausgeschaltet, Wnt aktiv und später wird BMP eingeschaltet (BMP off, Wnt on; later BMP on): Neuralleiste • Wnt-Signal macht die Spezifizierung der NL; BMP dann induziert die Delamination; und der aufrechterhalteter Wnt-Signal induziert später die Expression von Rho

NC. NL; PPC: Plakod

Kaskade der Transkriptionsfaktoren die Entwicklung der Neuralleiste induzieren. Transkription eines Gens durch die am Enhancer gebundenen TF-en 1. Bestimmung der Ektoderm. Neuralplatte-Grenze: die Gbx 2, Zic 1, Msx 2 und Tfap 2 Transkriptionsfaktoren schalten die Genexpression von anderen, sog. neural plate border specifiers (sie sind auch TFen, wie Pax 3/7, Dlx 5/6) ein. 2. Diese letztere schalten die neual crest specifiers (wie: Fox. D 3, Snail, Sox 9) ein. 3. Sox 9 und Snail: induzieren EMT (Delamination); Sox 10 ist eine der wichtigsten TFen für die Differenzierung der NL-Zellen

bei der NL: Cadherin 6 B Downstream targets of Snail gene expression induces the loss of epithelial markers and the gain of mesenchymal markers, as well as inducing changes in cell shape, and changes related to morphology and to the acquisition of motility and invasive properties. The Snail genes also regulate cell proliferation and cell death.

NL-Zellen als multipotente Stammzellen Knorpel, Migration in verschiedenen Wegen (gesteuert durch lokale Signalen); während dieses Weges: eine Differenzierung der Zellen (gesteuert durch lokale Signalen)

NL-Zellen sind multipotent: mit Einzell-Markierung kann man mehrere Typen von Abkömmlingen finden

Migration der Neuralleiste. Zellen • erste Migration aus dem dorsalem Lager (dorsal pool): in ventraler Richtung, weil der dorsolaterale Weg gesperrt ist (durch die Chondroitin-Sulfate; Ephrins, Slit -Molekulen in der ECM) • während des ventralen Wanderweges gibt es wieder 2 Wahlmöglichkeiten: zwischen den oder durch die Somiten; • zuerst zwischen den Somiten (in der Mitte), aber dieser Weg wird später durch Semaphorin (3 F) gesperrt, und bleibt der Weg durch die Somiten frei.

Rumpf-NL migratorische NL dorsolateraler Weg: zuerst gesperrt durch CS, Split, Ephrin ventraler Weg frei ist zuerst in ganz ventral, bis zur Aorta dieser Weg (zwischen Somiten) wird bald gesperrt durch Semaphorin 3 F und Slit bleibt der Weg durch die Somiten (anteriore Hälfte) frei Neurotrophin-, Wnt-Rezeptor? nein: sie migieren weiter nach ventral gegend der Aorta: BMP-Signal Nerven- und Gliazellen der prävertebralen Ganglien weitere Migration nach ventral (Darm): gesperrt durch Split ja: stoppen die Zellen und werden zum Spinalganglien viel Delta: Nervenzellen viel Notch: Gliazellen BMP aus Aorta, Kortikosteroiden aus NNR: Nebennierenmarkzellen

C: FN- (+) und Ephrin- (-) Beschichtung der Petri-Schale)

Slit, Semaphorin 3 F: nicht vorhanden ganz kranial und kaudal: hier ist die ventrale Migration möglich vagale und sakrale NL vagale, sakrale NL-Zellen migrieren ganz ventral, bis zum Darm nach Erreichen den Darm migrieren sie in der Darmwand nach kaudal (vagale NL) oder nach kranial (sakrale NL) ; d. h. unter der hemmenden Mesenchymschichten! dazu benutzen sie die GDNFExpression des Darmmesenchyms; weil die NL-Zelen exprimieren Ret (Rezeptor für GDNF) vagale NL-Zellen: mehr Ret-Rezeptor als sakrale NL-Zellen intramurale Ganglien

Photo-bleaching mit photo-konvertablem Protein Kik. GR (Ednrb-h. Kik. GR)

Technik in den vorigen und nächsten Dias: Kik. GR transgenetische Mauslinie was benutzt. Kik. GR: ist ein grün fluoreszierendes Protein, dessen Emission kann man mit Laser in rot umstellen (Photokonverting). Dieses Protein wird nur in den enteralen NL-Zellen der benannten Mauslinie exprimiert. Ein Stück distales Kolon aus trangsgenetische Mausembryo wurde ausgeschnittet und im Pertischale steril gezüchtet. Das Präparat wurde mit Laserstrahl an bestimmten Stellen zur Rot photokonvertiert, und während mehrere Stunden mit konfokalem Mikroskop gefolgt. Die NL-Zellen sind weitermigriert, ihre Fortsätzen erweitert.

Gleiche Technik, wie in vorigen Dias Die photokonvertierte NL-Zellen (rot) schicken ihre Fortsätze (auch rot) nach kaudal aus, und an diesen Forstsätzen migrieren die nicht photokonvertierten, grüne, NL-Zellen (markiert mit hellila und hellblaue Sternchen) nach kaudal.

Hirschsprung-Krankheit • Häufigste Mutationen des Menschen bei der HK: • RET (Rezeptor für Liganden der GDNF-Familie) • Endothelin 3 oder sein Rezeptor • beide Rezeptor-Ligand Paaren sind für die Migration/Differenzierung der vagale/sakrale Neuralleiste-Zellen in der Darmwand nötig.

Produktion von GDNF

Radiograph after a barium enema showing the constricted inferior gastrointestinal tract of an individual with Hirschsprung disease. The adjacent, more proximal, region of the tract with normal autonomic innervation is distended.

Mütter Museum in Philadelphia (13 kg)

Endothelin 3 KO Maus, aber auch bei Mensch: Waardenburg Syndrome Typ 4 Patienten (EDN 3 Mutationen) haben auch Hirschsprung Krankheit

dorsolaterale Ausschwärmung Die Ausschwärmungswege der Neuralleiste-Zellen

Dorsolateraler Weg • Aus dem dorslaen Pool (zwischen Ektoderm und Neuralrohr) wandern die NL-Zelle am spätestens aus, die Melanozyten bilden werden. • Ihre Differenzierung zu Melanoblasten beginnt noch in dieser Wartestelle (staging area). • Steuerung der Differenzierung passiert durch die Stufe der Expression von Fox. D 3 • viel Fox. D 3: MITF repressiert; wenig Fox. D 3: MITF wird exprimiert • MITF: wichtig für Melanoblast-Spezifizierung und Melanin. Produktion (Gene einschalten); für dorsolaterale Migration (Ephrin Rezeptor Eph wird exprimiert!, daneben Endothelin. Rezeptor auch) und für die Hemmung der Apoptose.

Melanoblast-Migration Gestört bei den Dalmatinern (A): sie sind MITF-Heterozygot (d. h. sie haben ein mutantes, nicht-funktionierendes Allel) und oft taub: siehe sensorineurale Taubheit! B: amerikanische Paint Horse: Heterozygot für Endothelin-Rezeptor B Piebaldimsus (Mensch, Maus): c-KIT Mutation SCF (das Ligand, das durch die dermalen Bindegewebszellen produziert ist, und sein Rezeptor, KIT, exprimiert durch die wandernde Melanoblasten.

Melanoblasten und menschliche Fehlbildungen • Piebaldismus: Mutation in dem KIT Gen • Waardenburg Syndrom: verschiedene genetische Hintergründe: Mutation des MITFGens, Mutation des Pax 3 -Gens (Pax 3 ist zur Expression von MITF nötig), Mutaionen der Endothelin/Endothelin-Rezeptor-Gene

Waardenburg Syndrom • Very pale or brilliantly blue eyes, eyes of two different colors (complete heterochromia), or eyes with one iris having two different colors (sectoral heterochromia)[4] • A forelock of white hair (poliosis), or premature graying of the hair • Appearance of wide-set eyes due to a prominent, broad nasal root (dystopia canthorum (particularly associated with Type I)) (also known as telecanthus) • Moderate to profound hearing loss (higher frequency associated with Type II); [4] • A low hairline and eyebrows that meet in the middle (synophrys) • Patches of white skin pigmentation, in some cases • Abnormalities of the arms, associated with Type III • neurologic manifestations, associated with Type IV • Cleft lip, mostly associated with Type I

Heterochromie, Poliosis,

Blaschko-Linien • Mehrere Hauterkrankungen entstehen zwischen unsichtbaren Linien (Blaschko-Linien), denen keine anatomischen Strukturen (Blutversorgung, Innervation) im Zugrunde liegen! • Durch diese Linien begrenzten Hautbezirken können die zellulären Abkömmmlingen von gleichen ektodermalen oder Neurallaisten-Zellen enthalten: d. h. die Zellen dieses Bezirkes haben eine klonale Abstammung (nachweisbar mit der Hilfe der X-Chromosomen Inaktivierung). • Kutane Mosaike: aus einem Zygot entstehen unterschiedliche Genom besitzende Tochterzellen (dankbar den postzygotischen Mutationen).

Pigmentverteilung entlang der Blaschko-Linien: kutane Mosaike (Hautmosaike)

Was hat die Neuralleiste mit dem Hörverlust zu tun? • Hörverlust (Hypakusis): Ursachen • Schallleistungsschwerhörigkeit (Mittelohrschwerhörigkeit) UND • Schallempfindungsschwerhörigkeit (engl. : sensorineural hearing loss) Problemen mit der Schnecke, dem Hörnerv oder Hörbahn • Neuralleiste: die Fehlentwciklung der Schnecke (Stria vascularis) fürht zum (sensorineuralen) Hörverlust. Die aus den NL-Zellen entwicklenden Melanozyten migrieren in die Stria vascularis ein. Ihre Anwesenheit in der Stria ist die Voraussetzung für die normale Entwicklung der Kapillaren der Stria. Bei der genetisch bedingte Migrationsproblemen der Melanozyten, wie Waardenburg Syndrom, entwicklen sich die Kapillaren nicht (oder nicht genügend), und dadurch entsteht ein fehlerhafte Ionentransport in die Endolymphe.

Schallempfindungsschwerhörigkeit

Melanozyten sind für die Entwicklung der Gefäße in der Stria vascularis verantwortlich.