IDENTIDADE REGIONAL NO SISTEMA NERVOSO

Diferenciação Celular e Sistema Nervoso
Profa Mariana S. Silveira
Figure 22-94 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
NEURÔNIO
• Unidade estrutural e funcional do Sistema
Nervoso;
• Responde a estímulos físicos e químicos;
• Produz e conduz impulsos eletroquímicos;
• Libera reguladores químicos;
SISTEMA NERVOSO
• 2 tipos de células
- neurônios
- células gliais
. sustentação
. constituem ponte metabólica
. regulação da concentração de íons
. bainha de mielina
(oligodendrócitos-SNC; células de Schwann- SNP)
. modulação sináptica
Teoria Neuronal
Camillo Golgi & Ramon y Cajal
(Nobel em Fisiologia e Medicina, 1906)
Teoria Reticular X Teoria Celular
CONTINUIDADE X CONTIGÜIDADE
ORGANIZAÇÃO ANATÔMICA
(mesencéfalo)
(ponte)
(bulbo)
Padrões são semelhantes
entre as espécies
INDUÇÃO NEURAL/NEURULAÇÃO
Xenopus
Figure 22-78 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
INDUÇÃO NEURAL/NEURULAÇÃO
Mamíferos
INDUÇÃO NEURAL/NEURULAÇÃO
INDUÇÃO NEURAL/NEURULAÇÃO
Placa neural
A
B
Células da
crista neural
G ânglio
espinhal
Sulco
neural
Melanócitos
da pele
G ânglios
autonômicos
Notocórdio
(formado por
invaginação do
mesoderma)
Células
da crista
neural
Tubo
neural
Divisão
gastroentérica
do sistema nervoso
autônomo
© CEM BILHÕES DE NEUR ÔNIOS by Roberto Lent
Tubo neural - SNC.
Crista neural- SNP.
G lândula
suprarrenal
(medula)
Tubo neural dá origem às Vesículas Encefálicas Primitivas,
preenchidas por um fluido (formará ventrículos e canais de comunicação):
Prosencéfalo
Mesencéfalo
Rombencéfalo
Medula primitiva
Logo que o tubo neural se
fecha, no final do primeiro
mês de gestação, podemse identificar as três
vesículas primitivas que
formam o sistema nervoso
do embrião. Depois, o tubo
vai se retorcendo, as
vesículas crescem
desigualmente, e apenas
no quarto mês o SNC do
embrião começa a se
parecer com o do adulto,
embora o córtex cerebral e
o cerebelo ainda não
apresentem os giros e
folhas que mais tarde se
formarão. Note que os
desenhos da fileira de
cima estão feitos em uma
escala muito ampliada, em
relação aos de baixo. Se a
escala fosse a mesma, o
embrião de 25 dias teria a
dimensão ilustrada no
pequeno quadro à
esquerda. Aos 25 dias, o
sistema nervoso do
embrião não mede mais
que 2 milímetros.
Resumo das Estruturas provenientes do Tubo Neural
(córtex, nucleos da base, hipocampo,
amígdala)
bulbo
Crista Neural
Sist. Nervoso Periférico
Células da Crista neural originam:
=Neurônios e glia de ganglios sensoriais e motores
viscerais (SNA)
=Céls neurosecretoras da gland. Adrenal
=Neurônios do Sist. Nervoso Entérico
=E também estruturas não-neurais, como:
Células pigmentadas
Cartilagem
Ossos
Figure 22-84 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Desenvolvimento do Sistema Nervoso:
- proliferação celular;
- migração celular;
- diferenciação celular com aquisição de forma e propriedades da
célula madura:
- diferenciação de neurônios X células gliais
- comprometimento com destinos neuronais específicos
- determinação neuroquímica
- projeção de axônios
- formação de circuitos neurais (sinaptogênese);
- Eventos regressivos, como morte celular .
Moléculas que atuam na Indução Neural e nas diversas fases do
desenvolvimento:
LOCALIZAÇÃO É CRÍTICA!!!
- moléculas difusíveis
- moléculas de membrana
- moléculas de transdução (receptores e cascatas de sinalização)
- fatores de transcrição
- genes regulados especificamente
O QUE REGE A INDUÇÃO NEURAL?
Posição é um fator
fundamental!
Dissociação leva a
destino neural
Todo o ectoderma se tornaria neuroectoderma se não fosse a ação intercelular
bloqueadora desse caminho ontogenético, por parte das BMPs (acima). Na região da
placa neural, entretanto (abaixo), o mesoderma subjacente libera fatores indutores que
“bloqueiam os bloqueadores”, fazendo com que essa região se transforme
gradativamente em tecido nervoso.
O QUE REGE A INDUÇÃO NEURAL?
QUAIS MECANISMOS DESENCADEIAM A FORMAÇÃO
DA PLACA NEURAL? – INDUÇÃO NEURAL.
Importância de sinais do Mesoderma adjacente.
Experimento de Spemann e
Mangold
(vídeo The Cell)
Uma região do mesoderma é retirada e transplantada na
região ventral de um embrião hospedeiro.
O embrião hospedeiro desenvolve um eixo dorsal
secundário, que se torna evidente pela observação de uma
placa neural secundária.
Embrião que contem dois eixos dorsais seccionado:
-O eixo dorsal secundário contem os mesmos tecidos do eixo
dorsal primário.
-Esse tecido nervoso secundário é derivado do receptor! O
que significa que o transplante promoveu a indução.
Modelo padrão de indução neural
Balanço entre agonistas e antagonistas!
Importância da inibição como um mecanismo de
regulação do desenvolvimento.
RESUMINDO…
Diferenciação Celular e Sistema Nervoso
Profa Mariana S. Silveira
IDENTIDADE REGIONAL NO SISTEMA NERVOSO:
EIXO ANTERO-POSTERIOR
POLARIDADE DORSAL-VENTRAL
2.21
Resumo das Estruturas provenientes do Tubo Neural
(córtex, nucleos da base, hipocampo,
amígdala)
bulbo
Rombômeros- segmentos que constituem excelente modelo para
padronização antero-posterior de vertebrados.
3) Córtex cerebral
4) Mesencéfalo
1) Rombencéfalo
tronco encefálico
2) tubo
neural/Medula
espinhal
IDENTIDADE REGIONAL NO SISTEMA NERVOSO:
EIXO ANTERO-POSTERIOR
POLARIDADE DORSAL-VENTRAL
3) Córtex cerebral
4) Mesencéfalo
1) Rombencéfalo
tronco encefálico
2) tubo
neural/Medula
espinhal
IDENTIDADE REGIONAL NO SISTEMA NERVOSO:
EIXO ANTERO-POSTERIOR
POLARIDADE DORSAL-VENTRAL
Genes homeobox-Hox
(inic. descritos em Drosophila)
E que fatores regulam este
padrão de expressão dos
genes Hox?
“Transformer activity”
(interferem na tendência de
anteriorização do SN pelos
indutores)
-Ácido retinóico produzido
pelo mesoderma (age em
função da concentração; >
na região posterior)
-- Wnt/beta catenina (na
região posterior;
antagonistas na porção
anterior)
-- BMP e antagonistas BMP
--FGF (na região posterior)
mandíbula
Expressão
facial
Músc. oculares
deglutição
Rombômeros- rombencéfalo
Prosômeros- prosencéfalo!
IDENTIDADE REGIONAL NO SISTEMA NERVOSO:
EIXO ANTERO-POSTERIOR
POLARIDADE DORSAL-VENTRAL
Anteriorização x Posteriorização
normal
3) Córtex cerebral
4) Mesencéfalo
1) Rombencéfalo
tronco encefálico
2) tubo
neural/Medula
espinhal
IDENTIDADE REGIONAL NO SISTEMA NERVOSO:
EIXO ANTERO-POSTERIOR
POLARIDADE DORSAL-VENTRAL
Holtfreter, 1934.
Shh- importante
morfógeno para a
definição de
identidade ventral.
Shh
Marcador de motoneurônios
IDENTIDADE REGIONAL NO SISTEMA NERVOSO:
EIXO ANTERO-POSTERIOR
POLARIDADE DORSAL-VENTRAL
2.23
Shh- importante
morfógeno para a
definição de
identidade ventral.
IDENTIDADE REGIONAL NO SISTEMA NERVOSO:
EIXO ANTERO-POSTERIOR
POLARIDADE DORSAL-VENTRAL
TUBO NEURAL (dorsal)
E CRISTA NEURAL
2.25
IDENTIDADE REGIONAL NO SISTEMA NERVOSO:
EIXO ANTERO-POSTERIOR
POLARIDADE DORSAL-VENTRAL
TUBO NEURAL
E CRISTA NEURAL
Exemplo de diferenciação de neurônios a partir da crista neural (SNP)
Sinais recebidos durante a migração têm papel central.
Figure 53-5 The main pathways of
neural crest cell migration in a chick
embryo. The diagram shows a section
through the middle part of the trunk.
A. Neural crest cells that take a
superficial migratory pathway, just
beneath the ectoderm, form pigment
cells of the skin. Those that take an
intermediate pathway
via the somites form sensory ganglia,
and those that take a more medial
pathway form sympathetic ganglia
and the cells of the adrenal medulla.
B. Positions at which melanocytes,
the sympathetic and sensory ganglia,
and the adrenal gland are located
after neural crest migration is
complete.
C. Scanning electron micrograph
showing neural crest cells migrating
away from the dorsal surface of the
neural tube of a chick embryo.
(Courtesy of K. Tosney.)
Marmigère et al., 2007.
FATORES QUE AFETAM A DIFERENCIAÇÃO DE PROGENITORES
DERIVADOS DA CRISTA NEURAL
Howard, 2005.
PASSOS SUBSEQUENTES A INDUÇÃO NEURAL PARA O
DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA NERVOSO CENTRAL E PERIFÉRICO …
- Controle de Proliferação Celular
-migração celular
-Diferenciação neurônio x glia
- definição de subtipos neuronais
-aquisição de fenótipo neuroquímico
- Direcionamento axonal
-Sinaptogênese
- Eventos regressivos
6
5
Outras etapas…
Diferenciação Celular e Sistema Nervoso
Profa Mariana S. Silveira
3) Córtex cerebral
4) Mesencéfalo
1) Rombencéfalo
tronco encefálico
2) tubo
neural/Medula
espinhal
CÓRTEX COMO MODELO
- Controle de Proliferação Celular
-migração celular
-Diferenciação neurônio x glia
- definição de subtipos neuronais
-aquisição de fenótipo neuroquímico
- Direcionamento axonal
-Sinaptogênese
Diferenciação neurônio x glia
Córtex é a região mais estudada por várias razões, pex.:
• gênese das diferentes populações celulares é temporalmente
segregada; neurônios das diferentes camadas são gerados
sequencialmente de forma “inside-out”, seguidos da geração de
astrócitos e oligodendrócitos
• curso temporal é reproduzido in vitro;
• precursores comuns contribuem tanto para a geração de
neurônios quanto células gliais, sendo que o repertório de tipos
celulares gerados pelos precursores muda ao longo do tempo.
Alguns mecanismos são comuns a outras estruturas, mas há particularidades.
MODELO “INSIDE-OUT” DE DESENVOLVIMENTO CORTICAL
Figure 22-99 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Marcação com [3H]-timidina permite visualizar a posição dos
neurônios ao longo das camadas corticais e seu momento de geração
Definição de subtipos
CÓRTEX COMO MODELO
- Controle de Proliferação Celular
-migração celular
-Diferenciação neurônio x glia
- definição de subtipos neuronais
-aquisição de fenótipo neuroquímico
- Direcionamento axonal
-Sinaptogênese
Depois de gerados os neurônios migram para seus
destinos finais:
- migração radial
- migração tangencial (interneurônios)
Como ocorre a migração?
Migração Radial :
Prosencéfalo e o desenvolvimento cortical
Figura 2.9. A parede do
tubo neural apresenta uma
p a l i ç a d a
d e
prolongamentos radiais
( A ), que pertencem a
células muito precoces
chamadas de glia radial (B,
em azul claro). Os
prolongamentos radiais
atuam como “trilhos” sobre
os quais migram alguns
dos neurônios pósmitóticos juvenis (B e C,
em amarelo). Nem todos
os neurônios migrantes
utilizam esses trilhos
radiais: alguns migram
obliquamente seguindo
pistas ainda mal
conhecidas.
Fatores na migração neuronal
Migração radial
Zona marginal
Placa cortical
Desligamento e
aquisição laminar
Relina, VLDRL, e DAB1
Relina,VLDLR
ApoER2 DAB1
Interação
neurônio-glia
Movimento
Lis1, Dcx
α3 e β1-integrina
Zona ventricular
Marin, PhD course, 2005
Fatores extrínsecos na migração tangencial
Neuroregulina1 e Erb4-Atividade
atrativa
Semaforinas 3- NeuropilinasAtividades repulsiva
MGE- medial ganglionic eminence (eminencia
ganglionar medial) – origem de
interneurônios corticais.
Marin, PhD course, 2005
EVOLUÇÃO DO CONCEITO DE GLIA RADIAL
Rakic, 2006.
CÓRTEX COMO MODELO
- Controle de Proliferação Celular
-migração celular
-Diferenciação neurônio x glia
- definição de subtipos neuronais
-aquisição de fenótipo neuroquímico
- Direcionamento axonal
-Sinaptogênese
Diferenciação Neurônio X glia no Córtex
roedores
Sauvageot & Stiles, 2002.
Diferenciação Neurônio X glia no Córtex
Mecanismos Moleculares
# Efeito de BMP e Notch depende do momento.
A) Neurogenina (Ngn) bloqueia a diferenciação astrocitária através da associação
com CBP/p300 em E14 = NEUROGÊNESE.
B) Diminuição dos níveis de Ngn: STAT interage com CBP/p300 = ativação de
promotores que induzem a diferenciação de ASTRÓCITOS. Sinalização via Notch tb
modula positivamente a gliogênese e negativamente a neurogênese.
# Diferenciação de oligodendrócitos é determinada pela expressão de Olig, indução
por Shh.
Neurogênese
Neuregulin-1 tb
leva a repressão
da gliogênese
Metilação do
promotor de
GFAP.
Notch promove a manutenção de precursores neurais
neste período.
Miller & Gauthier, 2007.
Neurogênese X Gliogênese
CT-1
-pertence a familia
de LIF e CNTF, tb
associados a
gliogênese, mas
predominantemente
expressos no
período pósnatal
-ct-1-/- - deficit de
50-70% na
gliogênese
Miller & Gauthier, 2007.
Gliogênese
Papel de Notch na
gliogênese
depende da
ativação
concomitante de
STAT
NICD
ou CSL
BMP nessas condições
tb leva a produção de Id,
que reforça a
gliogênese.
Miller & Gauthier, 2007.
# Diferenciação de oligodendrócitos é determinada pela
expressão de Olig, induzida por Shh.
Wegner, 2008.
CÓRTEX COMO MODELO
- Controle de Proliferação Celular
-migração celular
-Diferenciação neurônio x glia
- definição de subtipos neuronais
-aquisição de fenótipo neuroquímico
- Direcionamento axonal
-Sinaptogênese
PASSOS SUBSEQUENTES A INDUÇÃO NEURAL PARA O
DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA NERVOSO CENTRAL E PERIFÉRICO …
- Controle de Proliferação Celular
-migração celular
-Diferenciação neurônio x glia
- definição de subtipos neuronais
-aquisição de fenótipo neuroquímico
- Direcionamento axonal
-Sinaptogênese
Diferenciação neuronal:
1) aspectos morfológicos:
- projeção de dendritos
- Emissão de axônios
2) aspectos bioquímicos:
- síntese de moléculas para identidade neuroquímica a
ser adquirida: ex. enzimas do metabolismo de NTs,
receptores.
3) aspectos funcionais
- Aquisição da capacidade de gerar respostas elétricas
a estímulos
- sinaptogênese
PASSOS SUBSEQUENTES A INDUÇÃO NEURAL PARA O
DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA NERVOSO CENTRAL E PERIFÉRICO …
- Controle de Proliferação Celular
-migração celular
-Diferenciação neurônio x glia
- definição de subtipos neuronais
-aquisição de fenótipo neuroquímico
- Direcionamento axonal
-Sinaptogênese
3) Córtex cerebral
4) Mesencéfalo
1) Rombencéfalo
tronco encefálico
2) tubo
neural/Medula
espinhal
MODELO:
DIFERENCIAÇÃO DOPAMINÉRGICA
(neurônios mesodiencefálicos)
Enzimas de síntese,
transportadores
vesiculares e
transportadores de
membrana são usados
como marcadores.
Smidt & Burbach, 2007.
Geração de Neurônios Dopaminérgicos Mesencefálicos
DIFERENCIAÇÃO DE NEURÔNIOS DOPAMINÉRGICOS
MESODIENCEFÁLICOS
Nurr1/
Downstream of the inductive signals Fgf8, Shh and Wnt1, expression of transcription factor genes and mdDA-specific genes is acquired at different stages of
differentiation: initially, the expression of the Otx1, Nkx2.2 and Sox2 genes, followed by Lmx1a, Msx1, Ngn2, Otx2 and Foxa2 transcription factors. As part of the
transcriptional code, several of these are repressed during further development (e.g. Sox2, Nkx2.2 and Nkx6.2). The early stage of mdDA-specific differentiation (at E9–
E10 in mice) further involves Lmx1b, the engrailed factors En1 and En2, and Foxa1. At this stage, the first gene for dopamine synthesis, amino acid decarboxylase (Aadc),
is induced [18]. Subsequently, transcription factors for terminal differentiation are induced: Nr4a2 (Nurr1) at E10.5 and Pitx3 at E11.5. Pitx3 is required for survival of
some terminally differentiating subsets of mdDA neurons [5,18]. Ilf1 is a newly discovered forkhead factor, expressed at E12.5 [19]. Nurr2 is required for induction of
tyrosine hydroxylase (Th) at E11.5, of vesicular monoamine transporter 2 (Vmat2) at E12.5, and of the dopamine transporter (Dat) at E14 [20], at which point the cells are
mature mdDA neurons of the substantia nigra (SN) or ventral tegmental area (VTA). Aldehyde dehydrogenase A1 (Aldh1a1) is expressed in proliferating mdDA
progenitors [17]. In this figure, expression of transcription factors is linked to stages of mdDA development as marked by components of dopaminergic-neuron synthesis
and transmission, but no functional genetic relationship is inferred. Inductive signals are shown on a green background, transcription factors are on pink, and enzymes of
the dopaminergic neuron phenotype are on
yellow. During the transition of an uncommitted proliferating neuroblast (top) to a mature dopamine neuron (bottom), cells undergo phenotypic changes, symbolized
here by the different colour and morphology of cells. Burbach & Smidt, 2006.
Azul- TFs que promovem diferenciação
Verde- TFs que inibem diferenciação
Vermelho- fatores secretados envolvidos
Abeliovich & Hammond, 2007.