Towards a cellular and molecular understanding of neurulation Jean-François Colas, Gary C. Schoenwolf
Developmental Dynamics
Pages: 117-145
Developmental Dynamics
Pages: 117-145
Нейруляция происходит во время раннего эмбриогенеза хордовых, в результате формируется нервная трубка, дорсальная полость нервного тяжа, который составляет рудимент всей взрослой ЦНС. Тканевую основу нейруляции составляет серия скоординированных морфогенетических движений внутри первичной полоски (напр., регрессия узелка Hensen's) и последующее формирование первичных зародышевых листков во время гаструляции. Передача сигналов происходит между узелком Гензенаи формирующейся эктодермой, это инициирует нейруляцию путем индукции нейральной пластинки (i.e., в действительности, за счет супрессии развития эпидермальной эктодермы). Перемещения тканей постепенно приводят к формообразованию и искривлению нейральной пластинки и к закрытию нейральной борозды. Клеточной основой перемещения ткани во время нейруляции являются изменения в поведении составляющих клеток; а именно, изменений в количестве клеток, положении, формы, размеров и адгезии. Нейруляция происходит в среде generic биофизических детерминантов формы, присутствующих во всех живых тканях. Такие силы управляют и до некоторой степени контролируют морфогенез ткане-автономным образом. Молекулярные основы нейруляции остаются в основном неизвестными, предполагается, что гены нейруляции работают сочетанно с такими детерминантами так что соотв. изменения происходят в поведении соответствующих популяций клеток в соотв. время, максиально усиливая эффективность нейруляции и приводя к наследуемым видо- и аксиальным-различиям в этом процессе.
(Рис.1.) | Whole-mounts of chick embryos undergoing primary neurulation, viewed from the dorsal surface of the blastoderm. The range of stages shown (Hamburger and Hamilton, stages 4-11) represent about 24 hours of development (i.e., one day out of 21 in the life of a chick embryo), beginning at about 18 hours of incubation and ending at about 42 hours of incubation. A, The neural plate has just formed; its approximate borders are outlined. B, The neural plate is undergoing shaping; its approximate borders are outlined. C, The neural plate is initiating bending, establishing a neural groove, while still undergoing shaping; its approximate borders are outlined. D, The paired neural folds have come into contact at the level of the future mesencephalon region of the neural tube (arrow). E, A neural tube has formed throughout the length of the future brain and much of the length of the future spinal cord. hn, Hensen's node; n, notochord (seen through the neural plate); nf, neural fold; ng, neural groove; np, neural plate; nt/b, future brain level of the neural tube; nt/sc, future spinal cord level of the neural tube; ps, primitive streak. Modified from Smith and Schoenwolf
(Рис.2.) | Orientation whole-mounts (3 insets to right) and transverse sections (A-D) viewed with scanning electron microscopy at various periods during primary neurulation of chick embryos at approximately the future mesencephalon level (level of transverse lines in whole mounts; B and C are derived from the same level of two embryos, one at the neural groove stage (B) and the other at the incipient neural tube stage (C). A: Flat neural plate stage during shaping and early bending. Furrowing of the neural plate within the median hinge point has occurred. B: Neural groove stage. C: Incipient neural tube stage. Note that the neural folds are in contact with one another but not yet fused. D: Definitive neural tube stage. Note that the neural folds have largely fused forming the roof of the neural tube, neural crest (arrows) and mid-dorsal epidermal ectoderm. dlhp, dorsolateral hinge point; e, endoderm; ee, epidermal ectoderm; fg, foregut; hm, head mesoderm; mhp, median hinge point; n, notochord; nf, neural fold; np, neural plate. Modified from Schoenwolf
(Рис.3.) | Drawings and scanning electron micrographs showing the four key events of neural fold formation and morphogenesis at the future brain level in the chick embryo. Epithelial ridging (A), epithelial kinking (B), epithelial delamination (C) and epithelial apposition (D). dlhp, dorsolateral hinge point; ee, epidermal ectoderm; nf, neural fold; np, neural plate. Arrows on micrograph indicate the neural ridge (A) and point of kinking (B). Dashed lines on micrographs (C, D) indicate the neural fold interface. Based on the results of Lawson and coworkers (2001).
(Рис.4.) | Scanning electron micrographs of a whole mount (A), parasagittal slice (B), transverse cryofractures (C, E) and a transverse slice (D) illustrating secondary neurulation in the chick embryo. The three transverse images illustrate progressively later stages in development of the secondary neural tube. The line in (A) indicates the position of the parasagittal slice shown in (B). e, endoderm; ee, epidermal ectoderm; ic, inner cells of the medullary cord which will be removed during subsequent cavitation; mc, medullary cord undergoing cavitation; n, notochord; oc, outer cells of the medullary cord which will form the secondary neuroepithelium; p, primary lumen formed from the neural groove; pnt, caudal end of the primary neural tube; s, secondary lumen formed from cavitation of the medullary cord; tb, tail bud. Modified from Schoenwolf
(Рис.5.) | Drawing illustrating the cooperative (hinge point) model of bending of the chick neural plate. Neuroepithelial cell wedging within the hinge points is indicated by red (median hinge point) and blue (dorsolateral hinge points). Arrows indicate mediolateral expansion of the epidermal ectoderm; single asterisk indicates furrowing associated with the median hinge point. Double asterisks indicate furrowing associated with the dorsolateral hinge points. ee, epidermal ectoderm; n, notochord. Modified from Schoenwolf and Smith(1990a).
(Рис.6.) | Canalization of Drosophila gastrulation by serotonin. Drosophila embryos (A-C, G) wild-type (with the serotonin reinforcement) and (D-F, H) genetically depleted for serotonin signaling. (A-F) The most rapid phase of germ band extension (15 min) in one embryo of each genotype is illustrated by three frames in temporal sequence, selected at 7'30
intervals from time-lapse videos. The
two embryos were filmed from their lateral side, with the cephalic pole at
the left, the dorsal ectoderm at the top and the ventral mesoderm at the
bottom. Before its extension, the germ band consists of a rectangularly
shape area of the trunk region of the embryo, delimitated by bars at each
corner. Its anterior border is where the cephalic furrow forms. Its
posterior border is where the endoderm containing the pole cells
invaginates. During the initial and most rapid phase of germ band
extension, two independent forces act in concert: (1) the dorsal side of
the embryo contracts as a result of a pulling force (of unknown origin,
symbolized by the solid arrows in (B) and (C), and in E and F) under the
posterior endodermal invagination, and (2) ectodermal cells push the
endoderm primordium, in the same direction as the pulling that generates
the dorsal contraction, by converging (through cell intercalation) from
the dorsal towards the ventral side of the embryo and extending
posteriorly (the pushing force is symbolized by an open arrow in B and C;
note that this arrow is absent in E and F). The rapid phase of germ band
extension occurs at reduced speed in the absence of serotonin signaling
because the pushing force is missing. This may or may not lead to a
complete morphogenetic block in gastrulation, depending of the level of
desynchronization between germ band extension and mesodermal and
endodermal invagination (that is, whether or not the pulling force
succeeded in coping with the absence of the pushing force). G and
H: Scanning electron micrographs (ventral views) showing the
development of the mesodermal furrow at the ventral midline in (G)
wild-type and (H) mutant embryos at the same stage of germ band extension
as embryos shown in B and E, respectively. The presence of a non-closure
phenotype in the mutant embryo suggests that the formation of the
mesodermal tube requires the coordination between intrinsic wedging forces
and extrinsic forces generated within the ectoderm. cf, cephalic furrow;
e, endoderm; ec, ectoderm; m, mesoderm; pc, pole cells. Modified from
Colas et al.
(Рис.7.) | Flow chart showing the PCR-based subtraction strategy used to identify candidate neurulation genes in the chick. The central procedure is the PCR-SelectTM cDNA Subtraction (Clontech, Palo Alto, CA), which utilizes a method of selective amplification of differentially expressed sequences between the two tissues compared. The subtraction can be reversed to obtain NF specific clones. Based on the scheme used in Colas and Schoenwolf
(Рис.8.) | Expression of two candidate neurulation genes identified by subtraction and assessed with in situ hybridization in Hamburger and Hamilton stage 8- chick embryos. A and B: Whole-mount (rostral at the top) and section (level of transverse line in [A]; dorsal ectoderm at the top and ventral endoderm at the bottom), respectively, showing an embryo labeled with a riboprobe for the proteoglycan link protein (Colas and Schoenwolf, in preparation); only the epidermal ectoderm (arrow) is labeled. C and D: Whole mount (rostral at the top) and section (level of transverse line in (C); dorsal ectoderm at the top and ventral endoderm at the bottom), respectively, showing an embryo labeled with a riboprobe for a gene called Plato . Plato labels the neural plate (arrows), with the exception of the midline incipient floor plate overlying the notochord (n).
(Рис.9.) | Transgenic targeting of tissues undergoing neurulation in chick embryos using electroporation. An EGFP-expressing vector was electroporated into restricted regions of late gastrula-stage embryos, developing in culture. Pictures were taken at four hours after electroporation and at three-hour intervals during neurulation. Note that it is possible to target transgene expression to either (A) the neural fold or (B) the neural plate, as early as the beginning of bending of the neural plate. HH, Hamburger and Hamilton
(Рис.1.) | Whole-mounts of chick embryos undergoing primary neurulation, viewed from the dorsal surface of the blastoderm. The range of stages shown (Hamburger and Hamilton, stages 4-11) represent about 24 hours of development (i.e., one day out of 21 in the life of a chick embryo), beginning at about 18 hours of incubation and ending at about 42 hours of incubation. A, The neural plate has just formed; its approximate borders are outlined. B, The neural plate is undergoing shaping; its approximate borders are outlined. C, The neural plate is initiating bending, establishing a neural groove, while still undergoing shaping; its approximate borders are outlined. D, The paired neural folds have come into contact at the level of the future mesencephalon region of the neural tube (arrow). E, A neural tube has formed throughout the length of the future brain and much of the length of the future spinal cord. hn, Hensen's node; n, notochord (seen through the neural plate); nf, neural fold; ng, neural groove; np, neural plate; nt/b, future brain level of the neural tube; nt/sc, future spinal cord level of the neural tube; ps, primitive streak. Modified from Smith and Schoenwolf
(Рис.2.) | Orientation whole-mounts (3 insets to right) and transverse sections (A-D) viewed with scanning electron microscopy at various periods during primary neurulation of chick embryos at approximately the future mesencephalon level (level of transverse lines in whole mounts; B and C are derived from the same level of two embryos, one at the neural groove stage (B) and the other at the incipient neural tube stage (C). A: Flat neural plate stage during shaping and early bending. Furrowing of the neural plate within the median hinge point has occurred. B: Neural groove stage. C: Incipient neural tube stage. Note that the neural folds are in contact with one another but not yet fused. D: Definitive neural tube stage. Note that the neural folds have largely fused forming the roof of the neural tube, neural crest (arrows) and mid-dorsal epidermal ectoderm. dlhp, dorsolateral hinge point; e, endoderm; ee, epidermal ectoderm; fg, foregut; hm, head mesoderm; mhp, median hinge point; n, notochord; nf, neural fold; np, neural plate. Modified from Schoenwolf
(Рис.3.) | Drawings and scanning electron micrographs showing the four key events of neural fold formation and morphogenesis at the future brain level in the chick embryo. Epithelial ridging (A), epithelial kinking (B), epithelial delamination (C) and epithelial apposition (D). dlhp, dorsolateral hinge point; ee, epidermal ectoderm; nf, neural fold; np, neural plate. Arrows on micrograph indicate the neural ridge (A) and point of kinking (B). Dashed lines on micrographs (C, D) indicate the neural fold interface. Based on the results of Lawson and coworkers (2001).
(Рис.4.) | Scanning electron micrographs of a whole mount (A), parasagittal slice (B), transverse cryofractures (C, E) and a transverse slice (D) illustrating secondary neurulation in the chick embryo. The three transverse images illustrate progressively later stages in development of the secondary neural tube. The line in (A) indicates the position of the parasagittal slice shown in (B). e, endoderm; ee, epidermal ectoderm; ic, inner cells of the medullary cord which will be removed during subsequent cavitation; mc, medullary cord undergoing cavitation; n, notochord; oc, outer cells of the medullary cord which will form the secondary neuroepithelium; p, primary lumen formed from the neural groove; pnt, caudal end of the primary neural tube; s, secondary lumen formed from cavitation of the medullary cord; tb, tail bud. Modified from Schoenwolf
(Рис.5.) | Drawing illustrating the cooperative (hinge point) model of bending of the chick neural plate. Neuroepithelial cell wedging within the hinge points is indicated by red (median hinge point) and blue (dorsolateral hinge points). Arrows indicate mediolateral expansion of the epidermal ectoderm; single asterisk indicates furrowing associated with the median hinge point. Double asterisks indicate furrowing associated with the dorsolateral hinge points. ee, epidermal ectoderm; n, notochord. Modified from Schoenwolf and Smith(1990a).
(Рис.6.) | Canalization of Drosophila gastrulation by serotonin. Drosophila embryos (A-C, G) wild-type (with the serotonin reinforcement) and (D-F, H) genetically depleted for serotonin signaling. (A-F) The most rapid phase of germ band extension (15 min) in one embryo of each genotype is illustrated by three frames in temporal sequence, selected at 7'30
intervals from time-lapse videos. The
two embryos were filmed from their lateral side, with the cephalic pole at
the left, the dorsal ectoderm at the top and the ventral mesoderm at the
bottom. Before its extension, the germ band consists of a rectangularly
shape area of the trunk region of the embryo, delimitated by bars at each
corner. Its anterior border is where the cephalic furrow forms. Its
posterior border is where the endoderm containing the pole cells
invaginates. During the initial and most rapid phase of germ band
extension, two independent forces act in concert: (1) the dorsal side of
the embryo contracts as a result of a pulling force (of unknown origin,
symbolized by the solid arrows in (B) and (C), and in E and F) under the
posterior endodermal invagination, and (2) ectodermal cells push the
endoderm primordium, in the same direction as the pulling that generates
the dorsal contraction, by converging (through cell intercalation) from
the dorsal towards the ventral side of the embryo and extending
posteriorly (the pushing force is symbolized by an open arrow in B and C;
note that this arrow is absent in E and F). The rapid phase of germ band
extension occurs at reduced speed in the absence of serotonin signaling
because the pushing force is missing. This may or may not lead to a
complete morphogenetic block in gastrulation, depending of the level of
desynchronization between germ band extension and mesodermal and
endodermal invagination (that is, whether or not the pulling force
succeeded in coping with the absence of the pushing force). G and
H: Scanning electron micrographs (ventral views) showing the
development of the mesodermal furrow at the ventral midline in (G)
wild-type and (H) mutant embryos at the same stage of germ band extension
as embryos shown in B and E, respectively. The presence of a non-closure
phenotype in the mutant embryo suggests that the formation of the
mesodermal tube requires the coordination between intrinsic wedging forces
and extrinsic forces generated within the ectoderm. cf, cephalic furrow;
e, endoderm; ec, ectoderm; m, mesoderm; pc, pole cells. Modified from
Colas et al. (Рис.7.) | Flow chart showing the PCR-based subtraction strategy used to identify candidate neurulation genes in the chick. The central procedure is the PCR-SelectTM cDNA Subtraction (Clontech, Palo Alto, CA), which utilizes a method of selective amplification of differentially expressed sequences between the two tissues compared. The subtraction can be reversed to obtain NF specific clones. Based on the scheme used in Colas and Schoenwolf
(Рис.8.) | Expression of two candidate neurulation genes identified by subtraction and assessed with in situ hybridization in Hamburger and Hamilton stage 8- chick embryos. A and B: Whole-mount (rostral at the top) and section (level of transverse line in [A]; dorsal ectoderm at the top and ventral endoderm at the bottom), respectively, showing an embryo labeled with a riboprobe for the proteoglycan link protein (Colas and Schoenwolf, in preparation); only the epidermal ectoderm (arrow) is labeled. C and D: Whole mount (rostral at the top) and section (level of transverse line in (C); dorsal ectoderm at the top and ventral endoderm at the bottom), respectively, showing an embryo labeled with a riboprobe for a gene called Plato . Plato labels the neural plate (arrows), with the exception of the midline incipient floor plate overlying the notochord (n).
(Рис.9.) | Transgenic targeting of tissues undergoing neurulation in chick embryos using electroporation. An EGFP-expressing vector was electroporated into restricted regions of late gastrula-stage embryos, developing in culture. Pictures were taken at four hours after electroporation and at three-hour intervals during neurulation. Note that it is possible to target transgene expression to either (A) the neural fold or (B) the neural plate, as early as the beginning of bending of the neural plate. HH, Hamburger and Hamilton
Идентификация причин морфогенеза нуждается в полном понимании взаимодействия между общими биофизическими детерминантами формы, присутствующими во всех живых тканях (напр., viscoelastic characteristics, surface tensions) и генами, которые регулируют морфогенез (напр., путем контролирования времени, направления и величины клеточного поведения, которое управляет морфогенетическими движениями). Основное внимание уделено моделям на птицах, так как эти системы наиболее изучены.
THE TISSUE BASIS OF NEURULATION: COORDINATED MORPHOGENETIC MOVEMENTS
THE TISSUE BASIS OF NEURULATION: COORDINATED MORPHOGENETIC MOVEMENTS
На тканевом уровне нейруляция происходит в 4 стадии: формирование нейральной пластинки, приобретение формы нейральной пластинкой, искривление нейральной пластинки и закрытие нейральной борозды (Fig ). Стадии нейруляции скоррелированы с движением первичной полоски; а именно, прогрессией (т.е., рострокаудальной элонгацией) первичной полоски во время формирования нейральной пластинки (и особенно ее рострального конца, Гензеновского узелка) во время формообразования и изгибания нейральной пластинки и закрытия нейральной борозды. Нейруляция начинается с образвания нейральной пластинки, процесса, обычно описываемого как сндукция нейральной пластинки или нейральная индукция. Нейральная индукция не будет рассматриваться в данном обзоре. Однако, суммируя недавние исследования, показавшими, что нейральная индукция действительно это супрессия эпидермальной судьбы скорее, чем индукция нейральной судьбы, м. говорить, что default состояние naive эктодермы - это нейральное, а не эпидермальное. Супрессивный сигнал генерируется Гензеновским узелком (Рис. 1A), эквивалентом у птиц Шпемановского организатора, и это обусловливает связывание ингибирующих молекул с секретируемыми лигандами, такими как BMPs или Wnts, блокируя передачу их сигналов.
Formation of the Neural Plate
Formation of the Neural Plate
Помимо нейральной индукции образование нейральной пластинеки связанао с apicobasal утолщением эктодермы, приводящим к образованию плакоды (placode), плоского, но утолщенного эпителиального рудимента. Нейральная пластинка м. формироваться в изоляции от окружающей эпидермальной эктодермы, указыая тем самым, что если эктодерма становится детерминировнаной к нейральной судьбе, то процесс формирования нейральной пластинки является автономным по отношению к проспективной нейральной пластинке и не нуждается в присутствии ненейрональных эктодермальных клеток.
Shaping of the Neural Plate
Shaping of the Neural Plate
Во время своего образования, нейральная пластинка, если смотреть с дорсальной или вентральной стороны, выглядит как spade shield, относительно широкой медиолатерально и короткой рострокаудально (Рис. 1.A). Каудально "крылья" spade shield фланкируют Гензеновский узелок, индуктор нейральной пластинки. Во время формообразования нейральной пластинки, формирующаяся нейральная пластинка продолжает утолщаться apicobasally. Кроме того, она подвергается конвергентно направленному extension движению; этому сопутствут сужение в медиолатеральном направлении (т.e., поперечно) и удлиннение в рострокаудальном направлении (Рис. 1.B,C).
Эксперименты по выделению тканей показали, что формообразование нейральной пластнки управляется с помощью изменений поведения нейроэпителиальных клеток; т.о., нейральная пластинка все еще подвергается формообразованию, когда она отделана от более латеральных тканей (т.e., эпидермальной эктодермы, мезодермы и энтодермы) или каудальных тканей (регрессирующей первичной полоски) и культивируется. Полное рострокаудальное формирование и расширение неральной пластинки все же нуждается в нормальных гаструляционных движениях (и особенно, в регрессии первичной полоски).
Bending of the Neural Plate
Bending of the Neural Plate
Искривление нейральной пластинка инициируется когда ее формооразование в самом ходу (Рис. 1.B-D). С искривлением пластинки связано формирование нейральных складок на латеральных краях нейральной пластинки и последующего возвышения и конвергенции этих складок в направлении дорсальной срединной линии. Возвышение нейральных складок ведет к образованию по всему пространству т.наз нейральной борозды, которая становится просветом примитивной нервной трубки после закрытия нейральной борозды.
Рострокаудальный уровень, на котором искривление начинается отличается у разных видов. У эмбрионов кур искривление инициируется и заканчивается первым в области будущего мезэнцефалона (т.e., на уровне среднего мозга нейральной оси; Рис. 1.D)
и распространяется одновременно и рострально и каудально. У эмбрионов человекаискривление первым заканчиванется в области hindbrain/upper cervical.
Независимо от рострокаудального уровня, нак котором начинается искривление, оно осуществляется в два этапа, обозначаемых как образование борозды (furrowing) и образование складок (folding) (Рис. 2). Первый происходит в трех локальных областях, обзначаемых как шарнирные точки (hinge points) (одиночная медианная hinge point лежит поверх прехордальной пластинки и хорды, которая идет вдоль всей рострокаудальной длины нейрооси (neuraxis); а парные дорсолатеральные hinge points, находятся внутри складок, принципиально на уровнях будущего головного мозга (Рис. 5). Образование складок в противоположность образованию борозды, осуществляется за счет ротации нейральной пластинки вокруг шарнирных точек, с образованием складок вокруг медианной шарнирной точки. называемых возвышениями и с ротацией вокруг дорсолатеральных шарнирных точек, называемой конвергенцией. Следовательно, по определению конвергенция происходит принципиально на уровнях будущего головного мозга (т.e., на уровнях, на которых формируются дорсолатральные шарнирные точки).
Продемонстрировано, что искривление нейральной пластинки управляется изменениями как нейроэпителиальных клеток (управляющих furrowing) так и соседних клеток эпидермальной эктодермы (управляющих folding). Т.о., в проспективной медианной шарнирной точке образование борозды в нейральной пластинке осуществляется, если эта обоасть отделена от более латеральных тканей, но llz подъема неральных складок требуется присутствие таких латеральных не-нейроэпителиальных тканей. Более того, такое образование борозды клетками по медианным шарнирным точкам нуждается в индуктивных сигналах от подлежащей хорды. Этот сигнал обеспечивается секретируемым белком Sonic hedgehog, он участвует не только в формировании медианных шарнирных точек, но и в формированиии донной пластинки нервной трубки, важного сигнального центра. Участвует ли эпидермальная эктодерма в индукции образования борозды в дорсолатеральных шарнирных точках не исследовано из-за технических трудностей.
Установлено, что критической латеральной не-нейроэпителиальной тканью, необходимой для образования складок нейральной пластинки, является эпидермальная эктодерма. В отсутствие всех латеральных тканей, нейральная пластинка подвергается образованию борозды (особенно в медианных шарнирных точках), но образования складок не происходит. Однако, если эпидермальная эктодерма остается интактной, а две др. из трех латеральных тканей удаляются, а именно, энтодерма и мезодерма, то образование складок, как и борозды, происходит. При удалении только эпидермальной эктодермы, образования складое не происходит. Все это указывает на то, что только эпидермальная эктодерма лостаточна и необходима для образования складок.
Помимо эпидермальной эктодермы, нейральные складки играют критическую роль во время скривления нейральной пластинки. Каждая нейральная складка двухслойная, состоит из слоя нейроэпителия, покрытого слоем эпидермальной эктодермы. На уровнях будущего головного мозга, где нейральные складки развиваются наиболее экстенсивно. формирование и морфогенез нейральных складок связан с 4 ключевыми событиями, названными эпидермальные ridging, kinking, delamination and apposition (Рис. 3). Структура нейральных складок (и, в частности, хорошо развтый интерфейс, который формируется между двумя слоями и, по-видимому, связывает их вместе посредством имеющегося внутрклеточного матрикса) по-видимому, идеально приспособлены к передаче сил, генерируемых экспансией более латеральной эпидермальной эктодермой, имеющей целью искривить нейральную пластинку. Кроме того, экспансия интерфейса между двумя слоями нервных складок на уровне будущего головного мозга (т.e., процесс, наз. аппозицией) должны, по-видимому, создавать силы внутренне присущие каждой складке, направленные на их конвергенцию в направлении дорсальной срединной линии. Фактически конвергенция нейральных складок часто происходит, и когда более латеральная эпидермальная эктодерма удаляется, указывая тем самым, что медианная эпидермальная эктодерма оставшаяся интактной, демонстрирует важность интерфеса нейральных складок и эпителиальной аппозиции.
В противоположность уровню будущего головного мозга большинство уровней будущего спинного мозга не имеют нейральных складок для совершения эпителиальной аппозиции; т.о., формирование и морфогенез нейральных складок на этих уровнях состоит только из трех ключевых событий: epithelial ridging, kinking и delamination. Эти различия сказываются на уровень-специфических различиях в форме нервной трубки на поперечных срезах и в ее просвете. Так на уровнях головного мозга инициальный просвет расширен поперечно, а на уровнях спинного мозга он подобен щели.
Неожиданно, только нейральные складки и непосредственно с ними соседствующие латеральные ткани (по-видимому, эпидермальная эктодерма) необходимы для движений, характерных для образования складок нейральной пластинковй во время ее перегиба. Если удалить практически всю нейральную пластинку, включая медианные шарнирные точки, но оставить большую часть дорсального нейроэпителия и более латеральные ткани интактными, то формирование и морфогенез нейральных складок будет осуществляться нормально и нейральные складки будут стремиться в направлении к срединной линии, где будут встречаться др с др. и будут сливаться.
Более того у эмбрионов мыши, нейруляция не нуждается в функциональных шарнирных точках (напр., закрытая нервная трубка образуется и у Sonic hedgehog нулевых мышей, у которых отсутствуют нормальная медианные шарнирные точки, донная пластинка. хотя аномально большая донная пластинка м., по-видимому, препятствовать искривлению (напр.,
гомозиготы loop-tail мутантные мыши импеют увеличенную донную пластинку и открытые NTDs.
Closure of the Neural Groove
Closure of the Neural Groove
Выгибание нейральной пластинки, образование и морфогенез нейральных складок обязательно заканчивается контактом нейральных складок по дорсальной срединной линии и их слиянием. Место слияния дает верхнюю часть (потолок=roof) нервной трубки и отделяет ее от лежащей поверх эктодермы, которая вносит свой dkrl в формирование спины эмбриона. Третья популяция эктодремальных клеток, нейраьный гребень, формируется, когда нейральные складки выпячиваются и начинают конвергировать (напр., у мышей) или во время их слияния (напр., у кур). Нейральный гребень является важным типом клеток, которые вносят существеный вклад в периферическую нервную систему и в др. структуры (напр., пигментные клетки, лицевой скелет)
. THE CELLULAR BASIS OF NEURULATION: CHANGES IN CELL BEHAVIOR GENERATE MORPHOGENETIC MOVEMENTS
Formation of the Neural Plate
. THE CELLULAR BASIS OF NEURULATION: CHANGES IN CELL BEHAVIOR GENERATE MORPHOGENETIC MOVEMENTS
Formation of the Neural Plate
Образование нейральной пластинки у эмбрионов млекопитающих и птиц управляется посредством клеточного palisading; это скорее апикально-базальное (apicobasal) удлиннение клеток, чем увеличение количества слоев клеток (у эмбрионов амфибий нейральная пластинка является двухслойной структурой; образование нейральной пластинки у амфибий связано с апикально-базальным удлиннением только глубоких клеток). Т.о., у "высших" позвоночных нейральная пластинка псевдостратифицирована, столбчатый эпителий (т.e., каждая нейроэпителиальная клетка удлинняется от верхушки до основания эпителия, но ядара располагаются на разных апикобазальных уровнях, и создают на гистологических срезах впечателние многослойного эпителия). Нейроэпителиальные клетки делятся в ходе всей нейруляции. Когда это происходит, то они подвергаются интеркинетической миграции ядер, синтезу ДНК, так, ядро каждой такой клетки движется к основанию эпителия, а округлаяется для митроза в apex эпителия. Каждая дочерняя клетка затем простирает отростки в направлении основания эпителия и транслоцирует свое ядро базально, как только это происходит, она посторно вступает в митотический цикл.
Нейроэпителиальные клетки удлинняются во время формирования нейральной пластинки, это связано с активностью параксиальных микрорубочек (т.e., микротрубочки удлинняются в апикально-базальной плоскости клетки), а также др. факторов, таких как упаковка клеток, изменения межклеточной адгезии и использование разлияных межклеточных соединений. Точная роль параксиальных микрорубочек до конца не выяснена: параксиальные микротрубочки м. в принципе управлять процессами клеточного удлиннения или стабилизировать форму клеток по завершению элонгации.
У птиц и млекопитающих каудальная часть нервной трубки (будующие поясничный, копчиковый и хвостовой отделы) образуются др. способом по сравнению с более ростарльными частями(Рис. 4). Процесс образования каудальной части нервной трубки называется вторичной нейруляцией (термин первичная нейруляция используется для обозначения фазы нейруляции, обычно называемой "neurulation", начинается с агрегации клеток хвостовой почки в плотный (solid) эпителиальный тяж, называемый medullary cord.
Неясно, нуждается ли этот процесс в индукции, такой как при формировании нейральной пластинки (в супрессии мезодермальной судьбы), неизвестно.
Shaping of the Neural Plate
Shaping of the Neural Plate
Формообразование нейральной пластинки нуждается в трех скоординировнных событиях: thickening, narrowing and lengthening. Утолщение управляется удлиннением нейроэпителиальных клеток. Предполагается, что объем нейроэпителиальных клеток не увеличивается во время их удлиннения и что цитоплазма перераспределяется isotropically во время этого процесса, так что элонгация одновременноу уменьшает и ширину и длину нейральной пластинки. Если микротрубочки разрушены, то толщина нейроэпителия уменьшается примерно на 25%, тогда как ширина нейральной пластинки пропорциональной увеличивается (сходное, но менее значительное увеличение нейральной пластинки происходит в длину). Следовательно, утолщение и сужение нейральной пластинки связаны, но ее удлиннение независимо. Предполагается, что удлинненная конфигурация нейроэпителиальных клеток поддерживается лишь частично за счет микротрубочек, т.к. эти клетки уменьшают свою высоту после деполимеризации своих микротрубочек, но они все еще остаются довольно удлиннеными.
Сужение и удлиннение нейральной пластинки управляется тремя составными клеточного поведения. Апикально-базальное удлиннение клеток вносит свой вклад в сужение. Кроме того нейроэпителиальные клетки подвергаются интеркаляции в медиолатеральной плоскости нейральной пластинки, обусловливая ее сужение и одновременно удлиннение. Более того, нейроэпителиальные клетки делятся примерно каждые 8-10 ч во время нейруляции. Примерно половина плоскостей клеточных делений ориентирована так, что помещает дочерние клетки по длине нейральной пластинки.
Во время вторичной нейруляции, когда формируется медуллярный (medullary) тяж из клеток хвостовой почки, наружные клетки тяжа подвергаются элонгации, чтобы сформировать псевдостратифицированный столбчатый эпителий, напоминающий тот, что в нейральной пластинке(Рис. 4). Этот процесс, подобрно формообразованию нейральной пластинки во время первичной нейруляции, скорее всего осуществляется за счет параксиальных микротрубочек и факторов, которые еще нужно тестировать, такие как клеточная упаковка и измененияе адгезии клеток. Более того, межклеточные соединения формируют соединения латеральных клеточных поверхностей во время образования медуллярного тяжа, а эпителиальные клетки становятся поляризованными, так что образуется просвет между их апикальными поверхностями и центральным кластером мезенхимных клеток; последние "удаляются" во время процесса образования просвета (cavitation) (возможно, скорее всего за счет перестройки и миграциии клеток и ограниченного апоптоза), в результате возникает одиночный центральный проствет, который сливается с просветом каудального уонца нервной трубки. Показано. что вторичная нейруляция м. происходить в отсутствие закрытия нейральной борозды, указывая тем самым, что тканейой морфогенез во время вторичной нейруляции протекает автономно по отношению к первичной нейруляции.
Bending of the Neural Plate
Bending of the Neural Plate
Изгибание нейральной пластинки связано с процессами образования борозды и складок. Силы, вызывающие образование борозды генерируются заклиниванием нейроэпителиальных клеток внутри шарнирных точек, процесса, управляемого как апикальным сужением, так и базальным расширением. Апикальные сужения связаны с присутствием окружающих апикальных дисков из микрофиламент. Однако, подобно роли параксиальных микротрубочек в элонгации нейроэпителиальных клеток, роль окружающих апикальных дисков микрофиламент в апикальном сужении противоречива. Напр., нейроэпителиальные клетки остаются апикально сужеными (и wedge shaped) после деполимеризации их микрофиламент. Сходным образом, базальное расширение связано с процессом, которое не зависит от микрофиламент, оно обусловливается вместо этого транслокацией и удерживанием ядра в основании клетки, благодаря пролонгации клеточного цикла, что сказывается на изменении интеркинетической миграции ядра. Предполагается, что интеркинетическая миграция ядер и в особенности ее внешняя фаза (т.e., миграция ядер у вновь сформированных дочерних нейроэпителиальных клеток из apex нейроэпителия, где происходил митоз, в направлении основания нейроэпитилия), обеспечивается параксиальными микротрубочками,но это еще не доказано.
Силы, управляющие образованием складок генерируются в основном за счет изменения клеточного поведения в латеральных не-нейроэпителиальных тканях, особенно в эпидермальной эктодерме. Эти изменения заключаются в уплощении клеток, интеркаляции и ориентации митозов, что вызывает экспансию эпидермальной эктодермы медиально. Установлено, что такая экспансия автономна по отношению к латеральным тканям и нейроэпителию. Интригующая идея заключается в том, что сигналы эпидермальной эктодермы передаются соседнему нейроэпителию (или vice versa) вдоль интерфейса (внутри) нейральных складок, координируя активность двух тканей во время складкообрзования нейральной пластинки.
Образование и морфогенез нейральных складок управляется изменениями в поведении клеток (Рис.3). Выпячивание эпителия (еpithelial ridging), инициальное событие образования нейральной складки, связано с апикально-базальным удлиннением нейроэпителиальных клеток одновременно с апикобазальным укорочением соседних эпидермальных эктодермальных клеток. Перегиб эпителия, вторичное событие, связанао с изменением формы клеток внутри образующихся нейральных складок, так что и проспективные нейроэпителиальные и эпидермальные эктодремальные клетки нейральных складок становятся инвертировано-клиновыдными (т.e., суженными базально и расширенными апикально) и взаимосвязанными базально с внеклеточным матриксом. Вычленение эпителиальных слоев (еpithelial delamination), третье событие, связано с отложением внеклеточного матрикса вдоль формирующихся интерфейсов нейральных складоки изменений в ориентации проспектиыных нейроэпителиальных и эпидермальных эктодремальных клеток. В частности, изолированное внеклеточное пространство формируется между латеральными поверхностями клеток, фланкирующих интерфейс (внутренности) проспективных нейральных складок. Клетки реориентируются вдоль этого формирующегося интерфейса так, что их базальные поверхности примыкают к интерфейсу, а их апикобазальные оси становятся ориентированными радиально по отношению к интерфейсу. Финальное событие, аппозиция эпителия, ограничивается уровнем будущего головного мозга и связана с дальнейшим отложением внеклеточного матрикса вдоль расширяющейся толщины (т.e., mediolateral extent) интерфейса и с уплощением эпидермальных эктодермальных клеток, увеличивающим их поверхность. Кроме того, эпителиальная аппозиция использует интеркаляцию внутри эпидермальной эктодермы, также как и деления клеток, ориентация которых вносит вклад в медиолатеральную экспрансию эпидермальной эктодермы.
Поляризация клеток, т.е. образование отличающихся апикальной и базолатеральной поверхностей клетокt является внутреннми свойством эпителиальных слоев. Нейроэпителий, независимо от того, образуется ли он из нейральной пластинки во время первичной нейруляции или медуллярного тяжа во время вторичной нейруляции, обладает такой поляризацией, формируя межклеточные соединительные комплексы и окружающие(circumferential) апикальные диски из микрофиламент. Более того, клетки из первичного и вторичного нейроэпителия обладают интеркинетической миграцией ядер, с митозами на апикальной стороне эпителия. Тот факт, что апикальные диски из микрофиламент присутствуют в нейроэпителиальных клетках и первичной и вторичной нервной трубки и что эти трубки формируются совершенно разными способами, подтверждает идею, что circumferential диски микрофиламент скорее всего служат для стабилизации формы нейроэпителиальных клеток скорее, чем вызывают у этих клеток изменения их формы (т.e., чтобы стать клинобразными).
Closure of the Neural Groove
Closure of the Neural Groove
Клеточные основы финальной стадии нейруляции изучены плохо. Закрытие связано с образованием мостиков между нейральными складками, в результате они вступают в контакт по дорсальной срединной линии, слипаются в точках контакта, epithelial breakdown и сливаются. Это ведет к образованию двух отдельных эпителиальных слоев, эпидермальной эктодермы и нейроэпителия с мезенхимными клетками из нейрального гребня между ними. Нейральные складки секретируют оболочки клеточной поверхности, которые очевидно необходимы для этих событий. но их точный состав и функция остаются неизвестными. Показано важное значение ephrin для слияния нейральных складок.
THE DEVELOPMENTAL DYNAMICS OF NEURULATION
Synergistic Roles of Intrinsic and Extrinsic Neurulation Forces in Bending of the Neural Plate: the Cooperative (Hinge Point) Model
THE DEVELOPMENTAL DYNAMICS OF NEURULATION
Synergistic Roles of Intrinsic and Extrinsic Neurulation Forces in Bending of the Neural Plate: the Cooperative (Hinge Point) Model
Изменение формы нейральной пластинки управляется и внутренними и внешними силами, генерируемыми изменениями в поведении клеток внутри нейральной пластинки и (более важно) в эпидемальной эктодерме, соотв. Эти силы генерируются в основном за счет одного и того же клеточного поведения, а именно, з счет изменения формы клеток, размера, положения, количества и адгезии, но величины этих изменений, тип изменений и направление движения ткани отличны в разных тканях. Напр., нейроэпителиальные клетки испытывают больше делений во время нейруляции, чем эпидермальные эктодермальные клетки, и хотя форма клеток меняется в обеих тканях, генерируются разные формы клеток (нейроэпителиальные клетки удлинняются апикобазально и они внутри шарнирных точек становятся клинообразными, тогда как эпидермальные эктодермальные клетки уплощаются, и как нейроэпителиальные, таки и эпидермальные эктодермальные клетки, окаймляющие проспективный интерфейс нейральной складки становятся инвертированно клинообразными (inverted-wedge-shaped)). Более того, изменения в поведении клеток внутри нейральной пластинки вызывают смещение нейральной пластинки каудально, тогда как таковые в эпидермальной эктодерме вызывают принципиально смещение эпидермальной эктодермы медиально. Изменения в форме и количестве клеток вносят вкладв в рост нейральной пластинки, поставляя сырой материал для морфогенеза. Изменеия в форма и положении клеток скорре всего происходят пассивно (благодаря pushing и pulling силам. генерируемыми внеклеточным матриксом и соседними клетками) и активно (напр., за счет изменений динамики цитоскелета). Механические свойства внеклеточного матрикса и цитосклета необходимо оценить количественно, чтобы заполнить пробел в понимании динамики нейруляции, но эти факторы трудно измерить непосредственно. Тем не менее одна догадка о происхождении механических сил в и вокруг нейральной пластинки существует и предложена модель, которая интерпретирует силы, генерируемые при изменении поведения клеток.
Авт. сформулировали такую модель - the cooperative (or hinge point)
model - которая объясняет роль и внутренних и внешних сил в нейральной плстинке птиц (Рис. 5). Она базируется на трех основных предпосылках: (1) нейральная пластинка, прежде всего, прикреплена к соседним тканям в шарнирных точках (к хорде и прехордальной пластинке по медианным шарнирным точкам, и к проспективному эпидермису нейральных складок по дорсолатеральным шарнирным точкам),(2) нейроэпителиальные клетки становятся клинообразными внутри шарнирных точек и генерируют борозду и (3) силы для образования складок генерируются латеральнее шарнирных точек за счет увеличивающейся эпидермальной эктодермы. Т.о., модель предстказывает, что каждая шарнирная точка управляет и облегчает сворачивание и что каждый "шарнир" действует подобно стандартному дверному шарниру, чем само-закрывающемуся
пружинному шарниру. Получены подтверждения этим предположениям. Следовательно, модель шарнирных точек удовлетворяет многим ожиданиям.
The Potential Role of Generic Biophysical Determinants of Form in the Developmental Dynamics of Neurulation
The Potential Role of Generic Biophysical Determinants of Form in the Developmental Dynamics of Neurulation
На каждой стадии нейруляции участвуют механические свойства различных тканей, а распределение и время сил, действующих на них вносит вклад в ход морфогенеза нейроэпителия. Как только он оказывается свернутой в трубку molded into a tube, нейроэпителий должен подчинить свою форму физическим законам подобно др. живым тканям или даже неорганической материи. Realistic organic forms can be assumed by one fluid mass within another through ordinary inanimate surface-tension phenomena. Одним из фундаментальных отличий между клетками, участвующими в нейруляции и теми, которые подвергаются др. морфогенетическим событиям гаструляции (напр., клетки, проходящие сквозь первичную полоску), является то, что первые являются эпителиальными, будучи соединенными вместе в слой с помощью межклеточных сосединений и слипчивых взаимодействий с базальной ламиной и внеклеточным матррксом, тогда как последние являются мезенхимными и более свободно ассоциируют др. с др. Из-за своей эпителиальной структуры эктодрема стермится к изгибанию скорее, чем к смещению (flow), когда к ним прикладываются силы. Несмотря на это, эктодеральные клетки меняют соседей во время нейруляции благодаря интеркаляции клеток, позхволяющей им течь в плоскости эпителия подобно жидкости. Так же как для любого морфогенетического события, образование нервной трубки зависит от распознаваемых общих биофизичских детерминант формы, действующих в эпителиальных рудиментах, таких как поверхностное натяжение ткани, генерируемое клеточной адгезией, гравитационных эффектов, вязкости и эластичности.
В соответствии с "гипотезой дифференциальной адгезии" морфогенез является неизбежным исходом, специфицированным вторым законом термодинамики, исходя из обычно жидкость-подобного поведения клеток (т.e., по аналогии с мультифазными системами несмешивающихся жидкостей, клетки сегрегируют в соответствии с их собственным типом в каждом случае). Способность клеток подвергаться сортировке базируется на дифференциальных адгезивных свойствах, она подобно большинству факторов участвует в формировании и кавитации медуллярного тяжа во время вторичной нейруляции или в клеточных интеркаляциях во время конвергентного расширения и формирования нейральных складок при первичной нейруляции. Др. общие детерминанты форм, действующие в эпителиальных рудиментах, скорее всего касаются тенденции эпителиальных рудиментов к заживлению, восстановлению ионного баланса поперек эпителия (объясняют наблюдения, что изолированная нейральная пластинка скручивается в трубку, но иногда в направлении противоположном тому, что происходит во время нейруляции).
Во время первичной нейруляции, существуют существенные различия в форме нейральной пластинки, складок и борозды в зависимости от рострокаудалього уровня.
Эти различия принципиально затрагивают возвышение и конвергенцию нейральных складок и общим результирующим диаметром нервной трубки, а также формой их просвета. Напр., поперечный диаметр нервной трубки на уровне проспективного головного мозга существенно больше, чем в спинном мозге, а инициальный просвет первого напоминает форму бриллианта, тогда как у последнего он щелеобразный.
Еще большие различия между событиями первичной и вторичной нейруляции. Каудальный конец нервной трубки возникает во время вторичной нейруляции за счет образования и последующей кавитации первоначально сплошной, компактной массы клеток, медуллярного тяжа (Рис. 4). Кавитация (образование просвета) в медуллярном тяже возникает принципиально из сосдних клеток, которые становятся поляризованными апикально-базально и инкорпорируются в примитивный нейроэпителий. Столбчатые клетки этого нейроэпителия имеют характеристики, сходные с теми, что в нейральной пластинке. Т.о., и первичная и вторичная нейруляция ведет в существенном к одному и тому же конечному продукту, к пустотелой нервной трубке, состоящей из псевдостратифицированного столбчатого эпителия, хотя онтогенетические события во время первичной и вторичной нейруляции отличны. В обоих случаях, нейроэпителиальные клетки обладают автономным потенциалом поляризоваться, удлинняться и организовываться в трубку. Более того, две трубки д. обладать одинаковыми адгезивными свойствами, по крайней мере, в переходной зоне (т.e., в зоне перекрывающейся нейруляции)
между первичной и вторичной нейруляцией, где каудальный конец закрывающейся нервной борозды перекрывается с ростральным концом более вентрально расположенного медуллярного тяжа (Рис. 4,D), две трубки всегда соединяются в одну трубку, содержащую один центральный просвет. Та же самая врожденная тенденция формировать трубку или сферу, наблюдается у диссоциированных клеток из нейральной пластинки амфибий или in vitro, где структуры, подобные нервной трубке, т.наз. розетки (rosettes) образуются из линии клеток, произошедшей из тератокарциномы с помощью морфогенетического пути, использующего компоненты внеклеточного матрикса. Тот факт, что сходные структуры возникают с помощью очень разных онтогенетических путей указывает на то, что используются общие гернеративные правила, базирующиеся в основном на общих биофизических детерминантах форм.
The Potential Role of Genes in the Developmental Dynamics of Neurulation
The Potential Role of Genes in the Developmental Dynamics of Neurulation
Во время тканевого морфогенеза, формы возникают в результате эпигенетических процессов; следовательно, гены не вызывают непосрественно формообразования. Генетические механизмы, такие как способность клеток модулировать свою адгезивность, действовать сочетанно с общими биофизическими детерминантами формы, привлекаются естественным отбором для стабилизации и закрепления наиболее подходящих форм. Независимо от точного вклада общих биофизических детерминант форм в нейруляцию, они сами по себе не м. объяснить, как координируется поведение клеток, чтобы создать характерные формы внутри биологически используемых временых рамок и воспроизводимое появление рострокаудальных и видовых различий в возникающей конечной форме нервной трубки. Напр., с помощью какого механизма закрытие нейральной борозды находится в согласии с общим ростом эмбриона или развитием сомитов? Или как "pulling" силы генерируются в нейральной пластинке скоординированно с "pushing" силами, генерируемыми с помощью латерально эпидермиса? Или как координируются первичная и вторичная нейруляция? Или как скоординировано образование складок тела и образование сердечной трубки с нейруляцией? Некоторые генные продукты (напр., катализаторы) м. контролировать выбор между разными альтернативными (но эквивалентными) термодинамическими состояниями, облегчая тем самым появление морфогенетической последовательности в биологически необходимый временной срок. Активация таких катализаторов д.влиять на ранее сформированные эмбриональные структуры, чтобы поддерживать последовательную экспрессию генов в соответствии (in register) с ходом морфогенеза.
Авт. продемонстрировали, что региональные различия в нейруляции являются результатом определенного эмбрионального контекста, в котором они появляются. Это указывает на то, что возможно необходимо, чтобы различные события нейруляции были приспособлены в ходе эволюции к различным механическим ограничениям целостности.
Напр., во время первичной нейруляции нейроэпителиальные клетки ограничиваются соседней латеральной эпидермальной эктодермой; во время вторичной нейруляции,
нейроэпителиальные клетки собираются из мезенхимных клеток хвостовой почки. Более того, первичная нейруляция на уровне головного мозга нуждается в возвышении и конвергенции массивных нейральных складок, но на уровне спинного мозга нейральные складки значительно меньше. Различия в эмбриональном контексте являются сами по себе, по крайней мере частично, следствием различий во времени, в течение которого имеется в распоряжении общий набор generic and genetic факторов.
Различные временные промежутки оказывают выраженные эффекты на развитие формы и , следовательно, на окончательную форму нервной трубки, возникающей во время нейруляции. Разнообразие форм нервных трубок м. создавться за счет комбинации изменений в клеточном поведении, которое управляет нейруляцией др. способами, когда время просрочено (over time). Напр., униформное одновременное изменение формы клеток на клинообразную (wedging) внутри толщи нейральной пластинки во время первичной нейруляции должно созавать трубку. Отсутствие униформного wedging или региональных изменений в соотв. время будет нарушать морфологию нервной трубки, наблюдаемыю на поперечных срезах.
Итак, общими признаками морфогенеза нервной трубки является существенная зависимость от термодинамики само-организующихся свойств нейроэпителия. Региональные (и видовые) различия в мофрогенезе нервной трубки скорее всего возникают в результате активности уникальных генных продуктов. Эти молекулы д. непосредственно устанавливать необходимую конформацию нервной трубки путем изменения продолжительности морфогенетических событий и путем регуляции типа и величин клеточного поведения.
GENETIC CONTROL OF NEURULATION INCREASES ITS EFFICIENCY AND ENSURES THE HERITABILITY OF NEURAL TUBE FORM
GENETIC CONTROL OF NEURULATION INCREASES ITS EFFICIENCY AND ENSURES THE HERITABILITY OF NEURAL TUBE FORM
Нейруляция управляется с помощью перекрывающихся механизмов как на тканевом. так и клеточном уровне, а также на молекулярном уровне организации. Это подтверждается наблюдением, что при определенных экспериментальных манипуляциях, направленных на удаление силы (или сил) нейруляции у эмбрионов амфибий или птиц, редко вызывают нарушение нейруляции (или специфическийх событий нейруляции). Сходным образом, тератогены редко блокируют нейруляцию, а мышиные эмбрионы, подвергшиеся инактивации критических генов с помощью гомологической рекомбинации редко приводят к NTDs с полной пенетрантностью. Помимо иллюстрации стохастической природы онтогенетических событий эти наблюдения указывают на то, что ряд факторов участвует в формировании нервной трубки.
Вероятно такое перекрывание появилось во время эволюции для улучшения точности нейруляции в сочетании с изменениями механических ограничений эмбриональной окружающей среды. Несмотря на это перекрывание действия внутренниих и внешних cell-based сил, нарушения нейруляции происходят, вызывая neural tube
defects (NTDs). NTDs, такие как anencephaly (напр., encephalocele) и spina bifida
(напр., myelomeningocele), ассоциированы с существенной заболеваемостью и смертностью у человека. NTDs являются наиболее распространенными врожденными пороками у новорожденных младенцев ( 1:500 родов в США). Эти дефекты м. вызываться как генетическими, так и средовыми причинами. NTDs обнаруживают семейный вклад, который не м. б. объяснен простым Менделевским наследованием. Мультифакториальная пороговая модель предложна для объяснения паттерна наследования и рисков повторного возникновения таких врожденных аномалий в семьях людей. Эта модель предполагает существование в популяции "liability" непрерывных переменных и онтогенетических "пороговых" значений, за пределами которых индивид оказывается затронутым. Для большинства врожденных аномалий действительная природа многочисленных генетических и средовых факторов, вызывающих склонность к NTDs у людей в основном неизвестна.
Показатели NTDs м.б. снижены в популяциях людей при добавлении фолиевой кислоты во время ранней беременности. При таком доабвлении, от половины до 2/3 NTDs м.б. предотвращено. Причины такого действия неясны. Предполагается, что добавление folate нейтрализует генетические дефекты в гомеостазе фолата, т.к восполняется метаболическая недостаточность ее у матерей, или нейтрализуются мутации в эмбриональном гене для methylenetetrahydrofolate reductase. Однако, эти гены м. объяснить только небольшой процент от общей генетической предрасположенности к NTDs. Добавлениме folate снижает появление нескольких и др.врожденных уродств, возникает вопрос о специфичности его эффекта в отношении NTDs. Альтернативная гипотеза в том, что фолиевая кислота является непременным условием, топливом, для беременности, необходимым, напр., для своевременного пролиферативного взрыва. Нейруляция чувствительна к пертурбациям фундаменттальных клеточных поведений, таких как митоз. Нейруляция является также онтогенетическим событием, которе наиболее чувствительно к потере теломер и хромосомной нестабильности. Добавление фолиевой кислоты во время нейруляции скорее всего гальванизирует inherently fragile morphogenetic "machine" увеличивающую вероятность того, что нейруляция закончится нормально. Следовательно, то, что NTD м.б. предупрежден добавлением фолиевой кислоты, не обязательно д. б. средством нейтарализации генетических дейектов в гомеостазе folate. Из-за этого и того факта, что имеются резистентные к фолиевой кислоте NTDs, необходим поиск др. факторов генетического риска NTDs, которые м. оказаться дополнительными генами нейруляции.
В качестве примера рассмотрим роль серотонина во время гаструляции Drosophila (Рис. 6). Гаструляция начианется на ст. бластодермы, когда эмбрион состоит из эпителиального монослоя, покрывающего желток. Вентрально мезодерма инвагинирует, благодаря изменению формы клеток на клинообразную (wedging), формируя трубку, которая закрывается по срединной линии. Сзади энтодерма инвагинирует также за счет wedging и образует карман. содержащий зародышевые клетки. Дорсально эктодерма подвергается конвергентному расширению, управляемому клеточнми интеркаляциями. Это увеличение, наз. расправлением зародышевого диска (germ band extension), перемещает энтодермальный карман дорсально и кпереди и это сопровожадется закрытием мезодермальной трубки (Рис. 6). Серотонин управяет началом расправления зародышевого диска что совпадает с морфогенетическими движениями в мезодерме и энтодерме. В популяции эмбрионов, генетически лишенных серотонина, расширение зародышевого диска роисходит нормально у некотрых эмбрионов, и это происходит в соответствующее время. Присутствие серотонина в эктодерме эмбрионов дикого типа необходимо для увеличения воспроизводимости расправления зародышевого диска, а именно, его осуществлени в соответствующее время действительно у всех индивидов. Как материнский, так и зиготический импульс необходимы для продукции пика серотонина точно перед началом расправления зародышевого диска. Это запускает вышестоящий каскад генов передне-задней сегментации (более 20 генов), и, по-видимому, в значительно меньшей степени каскад дорсо-вентральной оси, чтобы ограничить восприятие серотонинового сигнала семью полосами эктодермальных клеток, что соответствует паттерну ограничения интеркаляций клеток. Когда паттерн экспрессии в виде полос рецептора серотонина слегка дизорганизован, то расправление зародышевого диска происходит нормально, но он становится менее устойчив к влиянию срессов внешней среды (напр., к средней выраженности тепловому шоку), в таких случаях эмбрионы или погибают или вылупляются с аномалиями, как следствие десинхронизации гаструляционных движений. Маловероятно, что эта сложная генетическая регуляция будет воспроизводиться все снова и снова во время эволюции или что предача сигналов серотонина будет инициировать морфогенетические движения эктодермы у ранних родоначальников. Предки Drosophila скорее всего гаструлировали без подкрепления серотонина. Некоторые, лишенные серотонина эмбрионы успешно расправляют свои зародышевые диски, очевидно благодаря тому, что эктодремальные клетки врожденно, хотя и с меньшей эффективностью, способны к интеркаляциям клеток и без сомнения благодрая вторичным независимым силам, действующим обычно сочетанно с эктодермальным проталкиванием (pushing), тянущими энтодермальную инвагинацию. Это пример т.наз. канализации (canalization) развития по (Waddington, 1942), это генетическая стабилизация развития несмотря на мутационные или средовые пертурбации. Серотонин не создает новые фенотипы, но его привлечение естественным отбором делает экспрессию фенотипа более стабильной (heritable) .
Относительно нейруляции у человека, м. сказать, что в противоположность гаструляции у Drosophila, позвоночные еще не унаследовали достаточно генетических механизмов для гомеостазированной нейруляции, которая была бы высоко воспроизводимой и нечувствительной к средовым пертурбациям. Напр., нейруляция кажется более чувствиетльной к пертурбациям в краниальной области, чем в более каудальных областях (будущий спинной мозг). Это объясняется, по крайней мере частично, что возвышение и конвергенция больших краниальных нейральных складок, которые дают головной мозг, по-видимому, нуждаются в больших усилиях, чем возвышение и закрытие значительно меньших каудальных нейральных складок, которые образуют спинной мозг. Однако, по крайней мере некоторые генетические стабилизаторы уже приобретены, чтобы преодолевать механические ограничения, встречающиеся краниально. Линии мышей отличаются своим способом краниального закрытия (closure). Генетический полиморфизм идентифицирован в контроле положения мест закрытия, которые влияют на чувствительность эмбрионов к краниальным NTD. Такого же типа генетическая изменчивость и проблемы морфологического унаследования обнаруживаются и у людей, на это указывают повышенные риски NTDs, ассоциированных с мутациями генов, кодирующих путь folate, различия в превалировании NTDs среди разных этнических групп и семейное наследование NTDs.
THE MOLECULAR BASIS OF NEURULATION: IN SEARCH OF NEURULATION GENES
THE MOLECULAR BASIS OF NEURULATION: IN SEARCH OF NEURULATION GENES
Гены нейруляции м.б. определены как гены, которые регулируют и координируют уникальные комбинации клеточных поведений, происходящие в тех тканях, которые генерирую силы нейруляции. Продукты генов нейруляции м. также выполнять роль в др. морфогенетических событиях у эмбрионов и взрослых. Специфичность этих генов базируется в большей степени в их регуляторных последовательностях, чем в самих продуктах этих генов.
Theoretical definition of a
neurulation gene.
Исходная склонность к нейруляции появилась рано в эволюции ветви хордовых. Морфология нейроэпителия в результате оказалась увековеченной. Чтобы морфология прижилась, она должна согласоваться с существенной интеграцией организма, которая уже имеется, чтобы оказаться подходящей для дальнейших эпигнетических взаимодействий. Как и в др. развивающихся эпителиальных слоях, динамика морфогенеза нейральной пластинки ограничивается молекулярными свойствами tactical генных продуктов: цитосклета и адгезивного аппарата. Это является уникальным для данного морфогенеза (напр., морфология поперечных срезов нейральной борозды; специфические различия между головным и спинным мозгом и т. д.) оно обусловливается strategic генами, экспрессируемыми во время нейруляции. Следовательно, теоретически, нейруляционные гены являются контекст-зависимыми катализаторами, организующими направление и величины cell-based механических сил внутри или около нейральной пластинки.
Practical definition of a neurulation gene.
Practical definition of a neurulation gene.
Очевидно, что гены, участвующие в закладке раннего плана тела или в регуляции глобального роста эмбриона. и гены, кодирующие основную кухню (machinery) клеток, необходимы для нормальной нейруляции, но они не являются генами нейруляции per se. Гены нейруляции м. экспрессироваться внутри и во вне нейральной пластинки, но они д. экспрессироваться в тканях, имеющих отношение у нейруляции (гапр., эпидермальной эктодерме, нейральной эктодерме, мезенхиме головы, нейральных складках и т.д.). Напр., гены нейруляции д. специфически вовлекаться в стабилизацию конвергирующего расширения эпидермальной эктодермы во время возвышения нейральных складок и не м. экспрессироваться таким же точно образом в соседней нейральной эктодерме, которая ведет себя по-другому (генетические различия м.б. качественными или количественными; покоиться на транскрипционном или посттранскрипционном или обоих уровнях). Вопрос в том, как наблюдать эти различия in vivo во время нормальной нейруляции и как определить их исход, который имеет место, и их эффекты на локальное поведение клеток и результирующие силы нейруляции. Гены нейруляции д. созадавать границы, необходимые для инициации (nucleation) и организации морфогенетических движений.
Neurulation Defects and Neurulation Genes
Neurulation Defects and Neurulation Genes
Некоторые гены, многие из которых трудно было заподозрить в участии в нейруляции (напр., исходя из их пространственно-веременного паттерна экспрессии), когда они инактивируются в результате гомологической рекомбинации ведут к NTDs. Мутации, вызывающие NTDs, представлены в Табл.1 Harris and Juriloff ([]), Табл.3 Copp et al. ([]) и в Табл. 1 Juriloff and Harris ([]).
Здесь, будет представлена схема классификации генов, важных или непосредствнено участвующих в нейруляции (Appendix: Table 1). Авт. использовали эту схему, чтобы классифицировать мышиные гены на базе опубликованных фенотипов нервной трубки в экспреиментах с потерей функции, незвисимо от того обнаруживают ли они специфические дефекты в действительном процессе нейруляции; включено также небольшое количество др. генов, чья эктопическая эксспрессия или паттерн экспрессии предполагет их участие в нейруляции. Необходимо помнить, что остается неясным до какой степени каждый из этих генов удовлетворяет критериям генов нейруляции per se.
Согласно этой классификации мутации потери функции, ведущие к NTD у мышей
(Appendix: Table 2), затрагивают всего 28 генов (16 из категории XD++ и 12 из категории D++). которые, по-видимому, специфически необходимы для нормальной нейруляции, среди которых 16 (57%) имеют ограниченный паттерн экспрессии (т.e., XD++). Эти 28 генов участвуют в адгезии клеток или ее регуляции (Calr, Efna5, Fkbp1a, Itga3+Itga6, Lama5, Pig-a), в регуляции цитоскелетной динамики (Enah, Macs, Mlp, RhoGAP5, shrm, abl+arg, Vcl), в транскрипции нижестоящих генов (jmj, Pax3, twist, Cart-1, RBP-J kappa, c-ski, Tcfap2a), в питании эмбриона (apoB, Folbp1) и др. различных функциях (Jnk1+Jnk2, terc, Csk, Bcl10, Ikk1+Ikk2, Psen1+Psen2).
Это минимальные потребности для генерации нервной трубки с регион-специфической морфологией. Но имеется ряд проблем по использованию таких мышей в качестве единственных моделей. Немногие мутантные мыши с NTDs являются хорошими генетическими моделями NTDs человека, чьи общие формы являются несиндромными и доживают до поздних стадий беременности или родов. За несколькими исключениями, большинство engineered мутаций у мышей, которые дают NTDs являются нулевыми (полное отсутствие функции) и не-условными. При таких условиях некоторые неизвестные функции мутантных генов м.б.нарушены или активированы компенсаторные механизмы. Известно, что одна и та же онтогенетическая кончная точка м.б. достигнута с помощью разных путей развития (Waddington, 1952), и кажущиеся нормальными индивиды м. возникать после аномального эмбриогенеза. На мышах как раз и исследвуюся в основном такие конечные продукты, так что точную причину NTDs очень трудно установить. Нейруляция является динамическим процессом и специфические дефекты в ее динамике м. пройти незамеченными, если результирующий дефект не является явным NTD. Мы не знаем является ли онтогенетическая история каждого из той половины или двух третей "rescued" детей после дачи фолиевой кислоты нормальной или наступает ли действительное время нейруляции по расписанию. Изменения времени происхождения событий нейруляции м. приводить к страшным последствиям. Напр., показано, что инициирующее онтогенетическое повреждение для аутизма происходит примерно во время закрытия нейрвной трубки. Животные модели для аутизма выглядят живучими, не имеют внешних уродств, присутствоваших при родах.
Итак, большинство (57%; 16/28) генов из наилучших кандидатов на роль генов нейруляции выявлено с использованием мышей на базе изучения их паттерна экспрессии. Но использование только мутантных мышей не достаточно для достижения полного понимания генетической обусловлености нормальной и аномальной нейруляции.
PERSPECTIVES: STRATEGIES FOR IDENTIFYING NEURULATION GENES
PERSPECTIVES: STRATEGIES FOR IDENTIFYING NEURULATION GENES
Чтобы выяснить взаимодействия между generic and genetic механизмами нейруляции необходимо систематическое описание молекул, присутствующих на каждой стадии нейруляции. Такая комплексаная молекулярная анатомия сможет помочь в расшифровке биомеханических моделей на уровне клеток, тканей и эмбрионов. необходимо использовать новые стратегии для описания клеточного поведения во время нейруляции. Необходимо не только идентифицировать гены нейруляции, их действие в реальном времени, анализировать изменения в поведении популяций клеток, управляющих нейруляцией. Гены, не имеющие отношения к процессу нейруляции, такж м. экспрессироваться в нейрулирующих тканях.Эти гены необходимо дискриминировать от генов нейруляции, используя их эктопическую экспрессиию при анализев реальном времени.
Отбираются наилучшие кандидаты на роль генов нейруляции у мутантных модельных мышей (Appendix: Table 2) и затем клонируются ихортологи у кур для изучения их роли в нейруляции на более пригодной экспреиментальной модели. Такой подход д.б. плодотворным.
Известны и дополнительные стратегии для идентификации новых генов нейруляции.
Subtractive Hybridization: A Strategy to Divide and Conquer the Molecular Complexity of Neurulation
Subtractive Hybridization: A Strategy to Divide and Conquer the Molecular Complexity of Neurulation
Во время нейруляции локальные и глобальные силы меняют форму нейроэпителия в его финальную форму. Предполагается. что морфологические отличия, которые наблюдаются на клеточном и тканевом уровне, обусловлены различиями молекул. Такая молекулярная дифференцировка д. приводить к характерной мофрологии. Предполагается, что экспрессия генов, усиливающая клеточное поведение, которое генерирует множество внутренних сил для изгибания нейральной пластинки, ограничивается нейроэпителием нейральных складок (NF; и особенно дорсолатеральными шарнирными точками), и что такое усиление внешних cell-based сил локализуется в соседних латеральных тканях (lateral plate, LP). Для тестирования этой гипотезы, производили две subtractions в противоположных направлениях между генами, экспрессирующимися в тканевых эксплантатах со Hamburger and Hamilton stage 8- у эмбрионов кур: LP minus NF и NF minus LP (Рис. 7).
Две ткани выбраны из-за их важности для нейруляции и они были сходны наскоьо это возможно и все еще оладали критическими различифми в отношении нейруляции (напр., отличались по генерации внутренних или внешних сил нейруляции). Каждый тканевой эксплант состоит из трех слоев нейрулы (т.e., ectoderm, mesoderm и
endoderm), т.к. эксп. доказательства подтверждают роль всех трех слоев в обеспечении внешних сил нейруляции. Однако, только эпидермальная экодрема является тканью, необходимой для создания внешних сил, это указывает на то, что мезодермальная и энтодермальная ткани облегют искривление, лишь ассистируя эпидермальной эктодерме. Это subtraction осуществляется только на одном уровне будущей нейрооси: ростральном уровне заднего мозга. На уровне будущего заднего мозга дорсолатеральные шарнирные точки развиты лучше всего. В результате такого subtractions, и ранее известные и неизвестные гены были идентифицированы в качестве кДНК фрагментов, соответствующих дифференциально экспрессируемым LP- и NF-специфическим генам. Некоторые экспрессировались только в мезодерме и были более склонны участвовать в развитии сердца. Др. экспрессировались в эктодреме и являлись прекрасными кандидатами на роль генов нейруляции (Рис. 8, для одного примера из каждой subtraction).
Subtractive гибридизация все еще остается наиболее пригодной технологией для выявления неизвестных генов. Молекулярные основы нейруляции также, по-видимому, связаны и с дифференциальными трансляционными и с пост-трансляционными модификациями.
Cloning Homologs of Genes Involved in Analogous Processes: "What's Good for One Is Good for the Other"
Cloning Homologs of Genes Involved in Analogous Processes: "What's Good for One Is Good for the Other"
Некоторые гены нейруляции м. участвовать в сходных морфогенетических событиях в др. органных рудиментах того же самого или др. организма. Так, некоторые гены нейруляции м.б.: (1) действительно специфическими для нейруляции генами и позднее используются повторно (у хордовых) в сходных морфогенетических событиях; (2) склонны к нейруляции в результате укоренившихся старых механизмов, чья генетическая специфичность повторно используется при нейруляции и др. событиях (у беспозвоночных или позвоночных); (3) одной и той же причиной, вызывающей конвергентно одни и те же эффекты, если это происходит, то аналогичные морфогенетические условия (context) (у беспозвоночных или позвоночных) ведут к естественному отбору гомологичных генов; или (4) генами, чьи продукты участвуют в морфогенезе в зависимости не только от молекулярной природы, но также и от мофрогенетического контекста. В отношении последней точки зрения важно определить, как гены экспрессируются в определенных контекстах, чтобы понять их функцию. Напр., молекулярная ответная реакция (и ее эволюция) на морфогенетический контекст нейруляции м. б. связана с промоторными последовательностями ключевых генов нейруляции, также она м.б. молекулярной основой полиморфизмов сайтов закрытия нейральной борозды у человека.
Если некоторые гены нейруляции обладают такой пограничной ролью в эмбриогенезе. то м. оказаться возможным клонирование геннов нейруляции, исходя из их гомологии с генами, которые как известно вовлекаются с аналогичные морфогенетические процессы.
CONCLUSIONS
CONCLUSIONS
Одной из задач будущих исследований д.б. выявление продуктов генов нейруляции во время мофогенетических движений при нормальной и аномальной нейруляции. Необходимо точно различать аномальную и нормальную нейруляцию в процессе становления от вторичных нарушений механизмов нейруляции.
Необходима неинвазивная техника для изучения изменений в поведении клеток и в экспрессии генов в реальном времени. Из-за сходства в раннем развитии кур и человека, результаты, полученные на курах м. иметь клиническое значение. В настоящее время возможно у развивающихся в яйце или кульруте эмбрионов кур использовать условную electroporation (Рис. 9) вновь открытых генов. Эта новая техника позволяет выявлять large-scale кохерентные молекулярные процессы, такие как биологичекая реакция клетки или коллективов клеток на механический сигнал, это позволяет исследовать, как механические силы предоставляют регулторную информацию для нейруляции.
Др. важной задачей является выяснение причин и механизмов нарушений нервной трубки у человека, используя животные модели. Использование инактивации генов у мышей показало, что нейруляция чувствительна к дефектам некоторых основных клеточных процессов, очень возможно, что слабые изменения функции все-таки специализированных генов нейруляции будут вызывать NTDs у людей. Необходима идентификация таких генов, которые м.б. объяснить определенное появление семейных случаев NTDs.
APPENDIX
APPENDIX
Neurulation Defects and Neurulation
Genes
Before detailing our classification scheme for candidate neurulation genes,
four definitions are important to understand. A neurulation defect
results in the formation of a neural tube defect (NTD) at the time of
neurulation, and it occurs because the tissue and/or cellular basis of
neurulation has been specifically disrupted within the tissues driving
neurulation. Therefore, a neurulation gene is defined as one that causes
a neurulation defect when mutated because it acts normally within the tissue(s)
driving neurulation to generate neurulation-specific changes in cell behaviors.
An NTD (see Inagaki et al., 2000) is defined as the abnormal development
of the neural tube, occurring at any time prior to birth (i.e., at both
neurulation and post-neurulation stages). A neurulation defect often results in
an overt NTD at birth, but not necessarily so (restitution may occur during
post-neurulation development). NTDs formed after normal closure of the neural
groove are not neurulation defects by definition (i.e., they occur during
post-neurulation development). An NTD gene is one that when inactivated
results in an NTD. Neurulation genes are also NTD genes, but NTD genes are not
necessarily neurulation genes.
The following classification of neurulation genes requires four levels of
analysis. As a gene is assigned to progressively higher levels (in the +
category), its candidacy as a neurulation gene strengthens. Genes excluded as
neurulation genes at each level (assigned to the - category) are also
interesting, because these genes may be NTD genes; they, like neurulation genes,
are potential candidates for the causation of NTDs in humans, but they, unlike
neurulation genes, do not normally influence the process of neurulation.
In Table , we apply this classification scheme to those candidate genes already identified in mouse.
| Table A2. Mouse Candidate Neurulation Genes Classified as in Table 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
.gif)
We list a total of 75 genes, with 20 genes implicated for the first time in a
review as being involved in normal and abnormal neurulation (16s rRNA, Apaf1,
Bcl10, Calr, Casp3, Casp9, Dpp6 (Kit), Efna5, Fdft1, Fkbp1a, Gas5, Ikk1+2,
Jnk1+2, Nap1|2, Psen1+2, RhoGAP5, rnr-r1, Sil, Traf6, Zic2). From level 1
onward, we list the mouse genes whose loss of function (inactivated by targeted
homologous recombination in mouse ES cells, by gene trap insertion or by
classical mutations) is known, by the beginning of 2001, to cause neural tube
defects, making them potential candidate neurulation genes. Note that some
mutations only result in an NTD when they are combined with a loss-of-function
mutation in another gene, either belonging to the same family (abl+arg,
Jnk1+Jnk2, Itga3+Itga6, Ikk1+ Ikk2, Psen1+Psen2, Rara+Rarg) or to the same
pathway (Enah+ Pfn1, Gap+Nf1, Xpc+Trp53). Other potential candidate neurulation
genes are included because either they result in NTDs after other types of
molecular perturbation (Dpp6, Gja1, Itgb1d, Notch3, Pax1, Zic3) or they have
been identified on the basis of their expression in relevant tissues during
neurulation (16s rRNA, Gas5, rnr-r1).
At level 2 and 3, we tried to determine, based on published phenotypes,
whether the loss of gene function leads to a defect in the correct tissues at
the time that neurulation is taking place, that is, to a neurulation defect. We
consider a neurulation defect to be a specific defect that occurs in the
mechanics of neurulation, that is, in processes such as changes in cell
behavior, and/or the underlying mechanistic events that mediate these changes
(e.g., changes in cytoskeleton or cell adhesion). These types of defects have
been documented for D++ and XD++ genes. Inactivated genes that lead to
alterations in the rate of cell cycle progression, cell division and programmed
cell death at the time of neural groove closure may alter specifically the
course and outcome of neural tube formation; therefore categories D++ and XD++
also include this type of gene (i.e., apoB, Bcl10, Folbp1, Ikk1+Ikk2,
Psen1+Psen2 and Cart-1, Jnk1+ Jnk2, RBP-J kappa, c-ski, Tcfap2a, terc,
respectively). Misregulation of cell number occurring after closure cannot be a
neurulation defect (Casp3, Casp9, Apaf1, Nap1|2); the NTD in these mutations
seems to result from neuroepithelial overgrowth/degeneration, subsequent to
neurulation. Misregulation of neuronal specification, whatever its timing, is
not considered as a neurulation defect because it is primarily a neurogenesis
defect that causes an NTD (Atoh4, Hes1, Hoxa1, Ptch, Zic2). By definition, other
non-neurulation defects include faulty neural tube development occurring
after normal neurulation, such as the disruption or reopening of a
previously normally closed tube (Hspg2), a spina bifida occulta (Pdgfra), late
waviness in the neuroepithelium (TREB 5), etc. Some genes have been left in
categories XD+ and D+ because it is unclear whether they affect neurulation
specifically. This is especially true for the midline mutants Sil and Shh, which
are known to cause a certain type of NTD, holoprosencephaly, which originated at
the time of neurulation and at least in part in tissue involved in neurulation.
Whether this phenotype is a neurulation defect and it demonstrates an
instrumental role of the normal gene product in the morphogenesis of the neural
plate into a tube is open to interpretation. A careful examination of level 4
criteria might help to make a definitive choice. Genes in category D+- have been
shown, when mutated, to impede neurulation by an indirect defect (i.e.,
subsequent to another perturbation in early development that is necessary for
normal neurulation, such as the growth or the axis formation of the embryo).
The best currently known candidate neurulation genes are those 16 level 3
XD++ mouse genes that are expressed at the right time and at the right place and
when inactivated, result in a specific neurulation defect. A specific
neurulation defect also results for 12 level 3 D++ genes when they are
inactivated, although their pattern of expression is not consistent with a
specific role in neurulation, revealing the susceptibility of this developmental
process to defects in ubiquitous cellular processes, such as mitosis (Juriloff
and Harris, 2000), or to conditions of placental insufficiency leading to
malnutrition (apoB, Folbp1). It must be emphasized that the effect on
neurulation of over expressing (gain of function; level 4) any of these 28 genes
has not yet been studied.
Analysis of the Jnk1+Jnk2 double mutant provides the only well documented
example of the physiological role of programmed cell death in neurulation. In
contrast, transcriptional control of cytoskeletal dynamics specific to the
neural plate is well documented (e.g., Enah, Macs, Mlp, RhoGAP5, shrm). The data
from mutated mice are also beginning to reveal an integrin-dependent mechanism
of neurulation, which is not surprising given the role of these molecules in
epithelial morphogenesis and tissue integrity (De Arcangelis and
Georges-Labouesse, 2000). The ephrin-A5 (Efna5) mutation results in the
formation of anencephaly, presumably owing to the failure of the neural folds to
fuse in the dorsal midline (Holmberg et al., 2000). Activation of ephrin-A5,
induces changes in cell adhesion and cell morphology in an integrin-dependent
manner (Davy and Robbins, 2000). Class A ephrins are tethered to the plasma
membrane by a GPI anchor, giving at least one good reason why embryos mutant for
the Pig-a gene (a gene involved in phosphatidylinositol glycan synthesis) have
NTDs as well (Nozaki et al., 1999). Calr (possibly like Fkbp1a) is essential for
the integrin-mediated flux of extracellular calcium (Shou et al., 1998; Rauch et
al., 2000). Upon activation of neural adhesion molecules (especially
integrin-dependent adhesion signaling), the action of PKC and the adhesion
signaling molecule RhoGAP5 (Brouns et al., 2000) lead to a modulation of Rho
GTPase activity, directing several actin-dependent morphogenetic processes
within the neuroepithelium that are required for normal neurulation. Itga3 and
Itga6 are prominent receptors for lama5 (i.e., laminin alpha5 chain; De
Arcangelis et al., 1999). The Lama 5 mutation reveals the mechanical stress
borne by the cranial neural folds (Miner et al., 1998). Lama 5 is the only
neurulation gene documented to date that demonstrates an involvement in lateral
extrinsic forces (i.e., in mutated embryos, there is a weakening of the lateral
strip of epidermal ectoderm that decreases the amount of mediolateral force the
ectoderm can generate on the neural fold).
Obviously, some candidate genes may need to be reclassified as additional
data are obtained. With future better descriptions of the actual defects in
neurulation caused by genetic modification, a better gene classification could
be based on the type of tissue or cell behaviors affected. At present, such a
classification is impossible.
Further Details on Genes Listed in Table A2
Further Details on Genes Listed in Table A2
Gene symbol (synonym or mutation symbol); Gene name (mutation name);
Reference(s); GenBank accession number (when available). Mus musculus
gene nomenclature as in Entrez, Nucleotide Sequence Search:
XD++ genes:
Calr (=CRT); calreticulin; Rauch et al. (2000); NM_007591.
Efna5; ephrin A5; Holmberg et al. (2000); NM_010109.
Enah (+Profilin 1 [Pfn1]-/+); enabled, Drosophila, homolog of, also known as Mammalian enabled (Mena); Lanier et al. (1999); NM_010135.
jmj; jumonji (gene trap insertion); Takeuchi et al. (1995, 1999); Toyoda et al. (2000); NM_021878.
Macs; gene encoding MARCKS (Myristoylated, Alanine-Rich C-Kinase Substrate) protein; Stumpo et al. (1995); NM_008538.
Mlp; gene encoding MARCKS-like protein (MLP), also known as F52 (Wu et al., 1996), or MacMARCKS (Chen et al., 1996); NM_010807 and X61399.
Pax3 (Sp); paired box gene 3 (locus corresponding to the mutation splotch); Epstein et al. (1991); Li et al. (1999); NM_008781.
RhoGAP5 (=Arhgap5 = p190 RhoGAP); rho GTPase activating protein 5 (=p190 RhoGTPase Activating Protein); Brouns et al. (2000); NM_009706.
shrm; shroom PDZ domain-containing actin-binding protein (gene trap insertion); Hildebrand and Soriano (1999); NM_015756.
twist; Twist, Drosophila, homolog of; Chen and Behringer (1995); NM_011658.
Cart-1; Cartilage Homeoprotein 1; Zhao et al. (1996); AA388194.
Jnk1 + Jnk2; c-jun NH2-terminal kinase 1 and 2; Kuan et al. (1999); Sabapathy et al. (1999).
RBP-J kappa; recombination signal-binding protein 1 for J-Kappa, also, known as recombining binding protein suppressor of hairless-like (Drosophila) (Rbpsuhl); Oka et al. (1995); NM_009035 and NM_009036.
c-ski; v-ski avian sarcoma viral oncogene homolog; Lyons et al. (1994); Berk et al. (1997); U14173.
Tcfap2a (=AP2); transcription factor activating enhancer-binding protein 2, alpha; Schorle et al. (1996); Zhang et al. (1996); NM_011547.
terc; telomerase RNA component; Herrera et al. (1999); AF047387.
D++ genes:
abl + arg; tyrosine kinases; Koleske et al. (1998); L10656 + U40827.
Csk; c-src tyrosine kinase; Imamoto and Soriano (1993); NM_007783.
Fkbp1a; FK506 binding protein 1a (12 kDa); Shou et al. (1998); NM_008019.
Itga3 + Itga6; integrin alpha3 + alpha6; De Arcangelis et al. (1999) NM_013565 + NM_008397.
Lama5; laminin alpha 5 chain; Miner et al. (1998); U37501.
Pig-a; phosphatidylinositol glycan, class A; Nozaki et al. (1999); S78188.
Vcl; vinculin; Xu et al. (1998); NM_009502.
apoB; apolipoprotein B; Homanics et al. (1995); Huang et al. (1995); M35186.
Bcl10; B-cell leukemia/lymphoma 10; Ruland et al. (2001); NM_009740.
Folbp1; folate binding protein 1; Piedrahita et al. (1999); NM_008034.
Ikk1 + Ikk2; I-kappa-B kinase 1 and 2; Hu et al. (1999); Li et al. (2000).
Psen1 + Psen2; presenilin 1 and presenilin 2; Lee et al. (1996); Donoviel et al. (1999); NM_008943 + NM_011183.
XD+- genes:
Hes1; hairy and enhancer of split homolog 1; Sasai et al. (1992); Ishibashi et al. (1995); NM_008235.
Hoxa1; homeo box A1 (or 1F or -1.6) gene; Lufkin et al. (1991); NM_010449.
Ptch; patched, Drosophila, homolog of; Goodrich et al. (1997); NM_008957.
Zic2; zinc finger protein of the cerebellum 2 (knockdown); Nagai et al. (2000); NM_009574.
D+- genes:
Arnt; aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator; Kozak et al. (1997); Maltepe et al. (1997); NM_009709.
Axin1 (Fused locus); also known as Axis inhibitor 1; Zeng et al. (1997); AF009011.
Brca1; murine homologue of the human breast and ovarian cancer susceptibility gene, type 1; Gowen et al. (1996); Hakem et al. (1996).
Fdft1 (=SS); farnesyl diphosphate farnesyl transferase 1, also known as squalene synthase; Tozawa et al. (1999); NM_010191.
Madh5 (=Smad5); Mothers Against Decapentaplegic, homolog 5; Chang et al. (1999); NM_008541.
XD+ genes:
Fgfr1; fibroblast growth factor receptor 1; Deng et al. (1997); Xu et al. (1999); NM_010206.
Nf1; Neurofibromatosis type 1, also known as Neurofibromin; Lakkis et al. (1999); X54924.
Nog; Noggin; McMahon et al. (1998); NM_008711.
Shh; sonic hedgehog, Drosophila, homolog of; Chiang et al. (1996); X76290.
Traf6; Tumor necrosis factor receptor-associated factor 6; Lomaga et al. (2000); NM_009424.
D+ genes:
Raldh2; retinaldehyde dehydrogenase 2; Niederreither et al. (1997); Niederreither et al. (1999); NM_009022.
Sil; SCL-interrupting locus, also known as Tall interrupting locus; Izraeli et al. (1999); NM_009185.
XD- genes:
Apaf1; apoptotic protease activating factor1; Yoshida et al. (1998); NM_009684.
Nap1|2; nucleosome assembly protein 1-like 2; Rogner et al. (2000); NM_008671.
D- genes:
Atoh4 (=Ngn2); atonal homolog 4, also known as neurogenin2; Fode et al. (1998); NM_009718.
Casp3; Caspase 3 (=CPP32), apoptosis related cysteine protease 3; Kuida et al. (1996); NM_009810.
Casp9; Caspase 9; Kuida et al. (1998); NM_015733.
Gata3; GATA-binding protein 3; Pandolfi et al. (1995); NM_008091.
Hspg2 (=Plc); heparan sulfate proteoglycan of basement membrane 2, also known as perlecan; Costell et al. (1999); NM_008305.
Pdgfra; platelet derived growth factor receptor, alpha polypeptide (deleted in Patch mutation); Payne et al. (1997); NM_011058.
TREB5; tax-responsive element-binding protein 5, also known as CRE-binding factor; Masaki et al. (1999); AB036745. O- genes:
Gja1 (=Cx43); gap junction membrane channel protein alpha 1, also known as gap junction polylpeptide connexin 43-kD or alpha 1 connexin; Reaume et al. (1995); NM_010288.
Pax1; paired box gene 1; Wilm et al. (1998); NM_008780.
XD genes:
Dlx5; distal-less homeobox 5; Acampora et al. (1999); Depew et al. (1999); NM_010056.
Dnmt3b; DNA methyltransferase 3B; Okano et al. (1999); NM_010068.
Foxb1a (=Mf3); forkhead box B1a, also known as Fkh5, TWH or Hfh-e5.1; Labosky et al. (1997); NM_010793.
Gli3 (Xt); GLI-Kruppel family member GLI3 (Extratoes mutation); Schimmang et al. (1992); Hui et al. (1994); NM_008130.
Msx1 + Msx2; muscle segment homeobox (msh), homolog 1 and 2; Foerst-Potts et al. (1997); NM_010835 + NM_013601.
X genes:
16s rRNA; mitochondrial 165 ribosomal RNA; Ibrahim et al. (1998); AF089815.
Gas5; growth arrest specific 5; Vacha et al. (1997); NM_013525.
rnr-r1; ribonucleotide reductase R1 subunit; Craig et al. (2000); X72306. D genes:
Cbp; CREB-binding protein; Yao et al. (1998); S66385.
Gadd45a; growth arrest and DNA-damage-inducible, alpha; Hollander et al. (1999); NM_007836.
Gap (+Nf1); encoding p120 rasGTPase-Activating Protein; Henkemeyer et al. (1995).
p300; E1A binding protein, 300 kD; Yao et al. (1998).
Rara + Rarg; retinoic acid receptor, alpha and retinoic acid receptor, gamma; Lohnes et al. (1994); NM_009024 + NM_011244.
Trp 53; transformation related protein 53, also known as Tumor Protein p53; Armstrong et al. (1995); Sah et al. (1995); Ibrahim et al. (1998); AJ297973.
Tsc2; tuberous sclerosis 2 gene, protein product designated tuberin; Kobayashi et al. (1999) NM_011647.
Xpc; (+Trp53); xeroderma pigmentosum, complementation group C; Cheo et al. (1996); NM_009531.
O genes:
Dpp6 (and/or Kit); dipeptidyl aminopeptidase-like protein 6; Hough et al. (1998); AF092505.
Itgb1d; integrin_1D Baudoin et al. (1998); U37029.
Notch 3; Notch, homolog 3; Lardelli et al. (1996); NM_008716.
Zic3; zinc finger protein of the cerebellum 3; Klootwijk et al. (2000) NM_009575.