Посещений:
ОБОНЯТЕЛЬНЫЕ ПЛАКОДЫ

Роль нервной пластинки

Olfactory sensory system develops from coordinated movements within the neural plate
Jorge Torres-Paz and Kathleen E. Whitlock
Developmental Dynamics Volume 243, Issue 12, pages 1619–1631, December 2014

The peripheral olfactory sensory system arises from morphologically identifiable structures called placodes. Placodes are relatively late developing structures, evident only well after the initiation of somitogenesis. Placodes are generally described as being induced from the ectoderm suggesting that their development is separate from the coordinated cell movements generating the central nervous system. Results: With the advent of modern techniques it is possible to follow the development of the neurectoderm giving rise to the anterior neural tube, including the olfactory placodes. The cell movements giving rise to the optic cup are coordinated with those generating the olfactory placodes and adjacent telencephalon. The formation of the basal lamina separating the placode from the neural tube is coincident with the anterior migration of cranial neural crest. Conclusions: Olfactory placodes are transient morphological structures arising from a continuous sheet of neurectoderm that gives rise to the peripheral and central nervous system. This field of cells is specified at the end of gastrulation and not secondarily induced from ectoderm. The separation of olfactory placodes and telencephalon occurs through complex cell movements within the developing neural plate similar to that observed for the developing optic cup. Developmental Dynamics 243:1619-1631, 2014. © 2014


Рисунки к статье


Периферическая нервная система возникает из сенсорных или краниальных, плакодных клеток и клеток нервного гребня. Сенсорные плакоды, как было установлено, генерируют разнообразные структуры, включая сенсорные нейроны, секреторные нейроны, глию и клетки, содержащие кристаллины (Schlosser, 2006), хотя плакодное происхождение нейросекреторных клеток и глии открыто для споров (Whitlock and Westerfield, 2000; Whitlock et al., 2005; Forni et al., 2011; Onuma et al., 2011). Согласно современной модели сенсорные плакоды индуцируются в эктодерме после образования нейроэктодермы, дающей нервную трубку. Специфические гены экспрессируются по дуге вдоль переднего края нервной пластинки (Eya1, Six1, Six4), сохраняя свою экспрессию в морфологически видимых плакодах, это приводит к предположению об общности примордия плакод (Schlosser and Ahrens, 2004). Анализ др. гена, экспрессирующегося в этом домене, dlx3, показал, что плакодный домен по переднему краю нервной пластинки выстраивается в линию с клетками краниального нервного гребня (CNC) перед миграцией, экспрессирующего foxd3, (Whitlock and Westerfield, 2000). Т.о., премиграторный CNC и плакоды расположены по краю латеральной части нервной пластинки. Картирование судеб на краю нервной пластинки и соседних клеток (medial) подтвердило, что пограничная нейроэктодерма является источником периферической нервной системы (PNS) (Kozlowski et al., 1997; Pieper et al., 2011), при этом специфический анализ производных обонятельных плакод (OP) показал, что карта судеб предшественников обонятельных луковицы располагается по соседству с предшественниками OPs (Whitlock and Westerfield, 2000). Более того, при наблюдении премиграторных обонятельных и телэнцефалических доменов in vivo не выявлено очевидных морфологических делений. Т.о., OPs и телэнцефалон, который является местом постсинаптических мишеней в ЦНС, может развиваться одновременно из нервной пластинки.
За исключением зрительной системы морфогенетические перемещения, дающиеся плакодные структуры PNS, изучены недостаточно. Чтобы выяснить развитие преплакодного домена, клеточные перемещения в конце гаструляции, необходимо исследовать как нейроэктодерма проходит морфогенез, чтобы сформировать нервную трубку и ассоциированную PNS. В последнее время стало общепринятым, что формирование паттерна нервной пластинки осуществляется с помощью морфогенов, которые наделяют специфическими судьбами клетки вдоль AP и DV осей (see for review, Cavodeassi and Houart, 2012). Первоначально сигнальный центр устанавливается на месте будущей границы между средним и задним мозгом на ст. средней гаструлы, это подтверждается экспрессией генов gbx и otx в нейроэктодерме (Raible and Brand, 2004). В тот же самый временной промежуток онтогенеза устанавливается второй сигнальный центр, передняя нейральная граница, которая формирует паттерн передней части нервной пластинки. Это граница передней части нервной пластинки, которая д. генерировать периферическую обонятельную сенсорную систему.
За исключением глазного хрусталика, все плакоды генерируют нейроны и являются частью нервной системы. Если ПНС (за исключением глазных хрусталиков) индуцируется из эктодермы с помощью нервной пластинки, в отличие от той, которая одновременно формирует паттерн внутри нервной пластинки, то механика сопоставления периферических нейронов с их центральными мишенями д. быть затруднена: это д. быть более экономным, когда форма и функция работают совместно. Более того, у изученных животных, являющихся родоначальными представителями современных хордовых, таких как Amphioxus (Cephalochordate), имеются четкие сенсорные структуры, хотя они не имеют обнаружимых сенсорных плакод (Holland and Holland, 2001; Holland, 2009) или клеток нервного гребня. Т.о., плакоды могут представлять собой морфологические характеристики, связанные с генерацией нервного гребня, дающего череп (Gans and Northcutt, 1983), но фундаментальный нейральный компонент это нервная пластинка, которая дает одновременно и периферическую и ЦНС.
Из-за их очевидных структурных характеристик, плакоды поддаются экспериментальным исследованиям, но они очень поздно характеризуют развитие PNS; в то время, когда в OP очевидна дифференцировка нейронов. Мы проверяли гипотезу, что центральная и периферическая обонятельная системы очень сходны с глазами: формирование нервной пластинки и нервной трубки, которые поддерживают постоянную связь между периферической и центральной нервной системой во время раннего развития. Чтобы проверить это мы сконцентрировались на сходствах между периферической обонятельной сенсорной системой и её центральной мишенью, телэнцефалоном, который содержит обонятельные луковицы. Первоначально dlx3 был описан как экспрессирующийся на границе нервной пластинки (Akimenko et al., 1994) , а затем было показано, что он экспрессируется на низких уровнях в передней части нервной пластинки (Whitlock and Westerfield, 2000; Solomon and Fritz, 2002). Мы подтвердили, что край нервной пластинки иммуно-позитивен по Dlx3b , также как и медиальный регион, хотя на более низких уровнях и что эта область клеток первоначально выглядит как непрерывная, лишенная обычной базальной ламины. Более того, нервное поле становится поляризованным, т.к. клетки предшественники периферической и центральной обонятельной сенсорной системы перемещаются вместе во время раннего сомитогенеза. На ранней стадии миграции клетки перемещаются между полями, давая периферическую в противовес центральной обонятельной сенсорной системе. Т.о., наши данные подтверждают модель одиночного обонятельного поля, которое становится прогрессивно ограниченным в отношении клеточных перемещений, как только оно подразделяется на периферическую и центральную обонятельную системы.

Discussion


Здесь мы показали, что обонятельная сенсорная система развивается как скоординированная функционально единица, где периферическая обонятельная система развивается вместе со своей мишенью (Fig. 10, red, orange) со ст. 2 ss, время, когда мы можем четко идентифицировать клеточные поля. Клеточные движения вносят вклад в морфогенез обонятельной системы (Fig. 10), которые наблюдались в то же самое время и как морфогенетические перемещения, управляющие образованием глазного бокала (see for review: Cavodeassi, 2014). Первоначально α-actin:GAP43-GFP, был неразличим на границе, отделяющей будущие OPs от нервной трубки. У эмбрионов 2-4 ss уже обнаруживается просвет нервной трубки, а позднее на ст. 8-9 ss боковые границы нервной трубки четко определяются. Морфологические проявления боковой границы обнаруживают четко уже на ст. 8 ss за счет усиления иммунореактивности ламинина, разделяющего высокую иммунореактивность Dlx3 (презумптивная OP) от более медиальной низкой иммунореактивности (презумптивный телэнцефалон) в передней части нервной пластинки и нервной трубки. Миграция клеток CNC в дальнейшем подразделяется на периферическую и центральную обонятельную сенсорную системы и коррелирует с появлением двух отдельных базальных ламин. Эти данные подтверждают модель, в которой периферическая обонятельная система возникает из непрерывного региона внутри нервной пластинки и нервнойтрубки как и в зрительной системе.

Figure 10. The olfactory sensory system develops as an integrated unit. Center: Schematic of anterior neural plate during early somitogenesis with left side (a) representing the current model with the central olfactory field (1) (telencephalon, red, red arrow) inducing (small red arrows) the peripheral olfactory field (OP, orange, orange arrow) secondarily (2) from ectoderm. Cross-section of forming neural tube at 2 ss (a1) and 20 ss (a2) showing visual field cells (blue) and telencephalic field (red) and the OP (orange). On right (b) the central olfactory field?+?peripheral olfactory fields (brown) are induced together (1,1) as a common field with shared morphogenetic movements. Cross-section of forming neural tube at 2 ss (b1) and 20 ss (b2) with visual field cells (blue) and a shared central olfactory field?+?peripheral olfactory fields (brown). Blue shape and arrows represent movements of optic vesicle field during morphogenesis. a2, b2) frontal view of head corresponding to 20 ss. a1, a2, b1, b2 modified from (Whitlock, 2008).

Olfactory Epithelia and Olfactory Bulb: A Shared History


В исследовании плакодного развития обнаруживается тенденция концентрироваться на характеристиках, общих для плакод (Schlosser,2006), не на характеристиках, что нейроны, происходящие из этих структур, общие с центральными мишенями. Непрерывное поле клеток, наблюдаемое во время раннего сомитогенеза, и клоны клеток, перемещающиеся через эти поля, подтверждают инициальный общий механизм, контролирующий качественные особенности периферической и центральной обонятельной системы. Транскрипционные факторы, принадлежащие семейству forkhead winged helix молекул, а также гомеодомен содержащее семейство Dlx важны для формирования паттерна обонятельной системы (Solomon and Fritz, 2002). Как часть системы формирования паттерна передней части нервной пластинки, некоторые транскрипционные факторы экспрессируются в обонятельной сенсорной системе, включая будущие телэнцефалон и OP. Транскрипционный фактор Foxg1 экспрессируется как в обонятельных сенсорных предшественниках, так и предшественниках телэнцефалона у мышей и рыбок данио (Danesin et al., 2009; Kawauchi et al., 2009; Danesin and Houart, 2012; Zhao et al., 2009). Потеря функции Foxg1 у нокаутных мышей приводит к потере всей обонятельной системы, включая OE, луковицы и вомеронразальнрый орган (Duggan et al., 2008). У рыбок данио гипоморфный фенотип, генерируемый с помощью morpholinos, направленный против Foxg1 является менее тяжелым, но согласуется с тем, что обонятельная система обнаруживает существенное снижение числа пролиферирующих клеток в OE и луковицах (Duggan et al., 2008). Т.о., этот ген, чья экспрессия инициируется во время поздней гаструлы и нейрулы, играет важную роль в нейрогенезе всей периферической и центральной обонятельной системы.
Подобно Foxg1, транскрипционные факторы семейства Dlx играют важную роль в развитии обонятельной системы. У мышей член семейства Dlx Dlx5экспрессируется в обонятельной системе (Long et al., 2003) , а потеря этого гена приводит к избирательным дефектам этих структур, а также к лицевым уродствам (Acampora et al., 1999). Обонятельный эпителий Dlx5 мутантов содержит меньше обонятельных сенсорных нейронов и эти нейроны не генерируют аксоны, контактирующие с обонятельными луковицами. Кроме того, схемотехника (circuitry) обонятельные луковицы подвержена специфическим дефектами гранулярных и митральных клеток (Long et al., 2003). Т.о., и Foxg1 и Dlx5 , по-видимому, способствуют приобретению качественных обонятельных характеристик как периферической, так и центральной обонятельной системой.

Dividing the Field


В раннем развитии (2-4 ss), возможно наблюдать инициацию иммунореактивности ламинина низкого уровня, ассоциированную с боковой границей глазного поля (Ivanovitch et al., 2013; Cavodeassi et al., 2013). Скорелированное с появлением видимой боковой границы нервной трубки на ст. 8-9 ss, становится видимым за счет α-actin:GAP43-GFP при цейттраферной съемке появление иммунореактивности ламинина, появляющейся отдельно от домена экспрессии Dlx3 на ст. 8 ss. Поскольку уровни ламинина увеличиваются в регионе между развивающейся OP и нервной трубкой, то поля д. далее разделяться за счет продвижения CNC. Разделение периферического и центрального обонятельных регионов сопровождается изменением паттерна экспрессии генов: emx1 и emx2 (Bishop et al., 2003; Hauptmann et al., 2002) располагаются в центральном обонятельном регионе, а dlx3 и six4b (Kobayashi et al., 2000; Whitlock and Westerfield, 2000; Harden et al., 2012) локализуются в периферических обонятельных регионах. При анализе генов, экспрессирующихся в "плакодном домене" на границе с нервной пластинкой, идентифицированы три гена (Eya1, Six1, Six4; Schlosser and Ahrens, 2004) в качестве общих для всех плакод за исключением хрусталиковой (это ещё раз подтверждает не нейрональный и нейрональный аспекты эктодермы в противовес нейроэктодерме) и этот домен экспрессии обозначается как плакодный домен. Связь между этими периферическим и центральным обонятельными доменами подтверждается меняющимся паттерном Dlx3b, обнаруженным здесь: экспрессия Dlx3b остается высокой на периферии и снижается по направлению в срединной линии, где она локализуется совместно с полем, позитивным по emx1 (Fig. 2), давая телэнцефалон. Формирование паттерна обонятельной системы д. быть следующим: (1) Паттерн передней части нервной пластинки и закладка генеральных обонятельных характеристик (Foxg1,Dlx гены), (2) Закладка качественных особенностей периферии (Six4, Eya1), (3) Закладка качественных особенностей центральных мишеней (emx1, emx2), (4) OP становится морфологически видимой в связи с миграцией в неё CNC. Поскольку обонятельные плакоды происходят из нервной пластинки, а не наоборот (периферическая нервная система происходит из плакод), мы предлагаем термин наиболее подходящий для раннего развития: домен PNS. Т.о., домен обонятельной PNS дает морфологическую структуру OP, которая может быть результатом ассоциации с CNC, происходящих из костей, окружающих и энкапсулирующих обонятельную систему, делая дендриты обращенными к внешним условиям.

Mixing of Olfactory and Neural Crest Fates


Периферическая нервная система в целом описывается, как возникающая из клеток, происходящих из нервного гребня и плакод. Ранее мы показали, что клетки CNC мигрируют кпереди, когда клеточное поле конденсируется, чтобы сформировать OP и что происходит незначительное смешивание между предшественниками OP и нервного гребня (Harden et al., 2012; Boric et al., 2013). Впоследствии было установлено, что нейроны с микроворсинками из OP экспрессируют трансген Sox10:GFP (Saxena et al., 2013). Хотя и ранее мы наблюдали экспрессию Sox10:GFP в обонятельной сенсорной системе (Harden et al., 2012), её паттерн не соответствовал известным паттернам генной экспрессии для эндогенного гена sox10 (Dutton et al., 2001; Whitlock et al., 2005; Harden et al., 2012) и поэтому был только упомянут в обсуждении. Следовательно, в противовес трансгенной репортерной линии, нет экспрессии гена sox10 в OP если оценивать по in situ гибридизации во время раннего развития. В наших предыдущих исследованиях (Harden et al., 2012; Boric et al., 2013), мы использовали линию с промотором в 4.9 kb, управляющим экспрессией GFP Tg(-4.9sox10:eGFP) (Wada et al., 2005; Carney et al., 2006) , чтобы сделать видимой экспрессию Sox10:GFP в мигрирующем нервном гребне. Напротив, линия, использованная здесь выбрана потому, что она управляет RFP, чтобы ко-локализовать с TRPC2:GFP линией, имеет отличающийся (более крупный) промотор Tg(sox10(7.2):mrfp) (Kucenas et al., 2008). В этой трансгенной линии, как мы показали отсутствует ко-локализация Sox10:RFP с TRPC2:GFP позитивными нейронами. Паттерн экспрессии репортерной линии зависит от промотора, управляющего репортерным белком, т.о., различия, скорее всего, обусловлены различиями в промоторах 4.9 vs. 7.2. Поскольку репортерные линии не являлись "knock-ins," они стали предметом инсерционных эффектов, которые могут менять паттерн их экспрессии относительно эндогенного гена. В конечном итоге экспрессия Sox10:GFP и Sox10:RFP репортерных линий д. отражать экспрессию эндогенных генов (с изменениями, обусловленными perdurance репортерного белка), и ни одна репортерная линия не отражает в точности детали эндогенной экспрессии sox10, т.к. обе обнаруживают изменчивую экспрессию в OPs. Остается неясным, действительно ли клетки CNC вносят вклад в дифференцирующиеся нейроны обонятельной системы в OP.

Conclusions and Model


Общепринятая модель (Fig. 10a), поле телэнцефалона (Fig. 10a, red) возникает из нервной пластинки, которая формирует свой паттерн в конце гаструляции. Нервная пластинка и нервная трубка д. индуцировать (Fig. 10a, small red arrows) домен OP (Fig. 10a, orange) из соседней эктодермы, осуществляя два отличающиеся по времени события, приводящие к образованию телэнцефалона (Fig. 10a1,a2, red) и OP (Fig. 10a1,a2, orange). Напротив, мы показали, что эти структуры, по-видимому, возникают одновременно из нервной пластинки (Fig. 10b, brown). Телэнцефалон и OP возникают из передней части нервной пластинки (Fig. 10b brown) приводя к образованию телэнцефалона и OP (Fig. 10b1,b2, brown). Т.о., развитие обонятельной системы сходно с таковым зрительной системы (Fig. 10, blue), где периферические сенсорные рецепторы развиваются из нервной пластинки. Эти наблюдения помогают объяснить стыковку периферии с центральными мишенями в постоянно меняющемся трехмерном пространстве.