NeuralBioFederico [Modo de Compatibilidade] - IB-USP

5/6/2015
Do ECTODERMA ao SISTEMA NERVOSO
ou
Como fazer um neurônio?
Irene Yan
[email protected]
embriomol.wordpress.com
1
5/6/2015
Anatomical aspects of early neural development
A formação do tubo neural se dá pela elevação das DOBRAS
NEURAIS e a perda da conexão do tubo com o ectoderma de
revestimento
2
5/6/2015
Aspectos anatômicos do desenvolvimento neural inicial
Epiblasto
Ectoderma
Neurectoderma
Progenitores neurais
3
5/6/2015
Fenda Neural
Placa Neural
Ponto de
dobradiça
Dobra Neural
1.
Indução da formação da PLACA
NEURAL pelo Mesoderma
(Mudança na forma celular,
expressão de marcadores
gênicos)
2.
Associação da Placa Neural com
a Notocorda subjacente;
constrição apical nas células da
borda da Placa Neural
3.
Dobramento da Placa Neural
4
5/6/2015
1.
A convergência do Tubo Neural é
uma combinação de fatores:
Pressão lateral e constrição nos
pontos de dobradiça
2.
Fusão do Tubo Neural na porção
dorsal concomitante com a
Migração da Crista Neural
A migração das células da
Crista Neural ocorre
durante o fechamento do
Tubo Neural
5
5/6/2015
Epiblast
Indução
Ectoderma
Neurectoderma
Padronização
Progenitores Neurais
Diferenciação
sobre sinalização celular...
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1. Como o neurônio se
diferencia do
ectoderma?
1. Já que o genoma das células de
um embrião são iguais, o que faz
com que uma célula seja
diferente da outra?
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1. Como o neurônio se
diferencia do
ectoderma?
1. Já que o genoma das células de
um embrião são iguais, o que faz
com que uma célula seja
diferente da outra?
Expressão de genes e proteínas
celulares
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7
5/6/2015
1. Como o neurônio se
diferencia do
ectoderma?
1. Já que o genoma das células de
um embrião são iguais, o que faz com
que uma célula seja diferente da
outra?
Expressão de genes e proteínas
celulares
2. O que determina o perfil de
expressão celular?
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Durante a embriogênese, a célula integra diversos sinais
extracelulares (ligantes) para determinar seu perfil de expressão
gênica
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5/6/2015
Existem várias formas de receber ligantes extracelulares:
Por contato
direto
Por difusão de
proteínas
extracelulares
Por matriz
extracelular
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Durante a embriogênese existem vários TIPOS de LIGANTES
EXTRACELULARES
•FGF (Fibroblast Growth Factor)
•Wnt
•BMP (Bone Morphogenic Protein)
•Ácido Retinóico
•Shh (Sonic Hedgehog)
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O domínio neural já é especificado no epiblasto da blástula
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Ou seja, já na blástula as células do epiblasto :
região central expressam genes de precursor neural
região periférica expressam genes de precursores epidérmicos
Neural
Epidermal
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BMP7
A diferença entre a região neural e não neural é
consequência da presença ou ausência de
BMP (sinal azul) no epiblasto:
região central ausente
região periférica presente
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O BMP (Bone Morphogenic Protein) é uma proteína extracelular que atua como
ligante de uma via de sinalização, culminando na repressão ou ativação gênica
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A notocorda contribui para a diferenciação da PLACA
NEURAL, precursor do sistema nervoso
Fenda
Neural
Placa Neural
*
*
*
A placa neural tem origem ectodérmica
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A notocorda secreta proteínas que inibem a sinalização do BMP
(Bone Morphogenic Protein)
Noggin, um inibidor
de BMP
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Os inibidores de BMP são proteínas extracelulares atuam evitando a ligação de
BMP com o seu Receptor
26
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EMBRIÃO DE ANFÍBIO COM EXCESSO DE CHORDIN (inibidor de BMP)
controle
Chordin em excesso
http://www.hhmi.ucla.edu/derobertis/EDR_MS/chd_page/chordin.html
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Epiblast
Indução
Ectoderma
Neurectoderma
Padronização
Progenitores Neurais
Diferenciação
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Mas isto é suficiente para
determinar todos os
compartimentos rostro-caudais do
tubo neural?
sobre o eixo rostro-caudal do tubo neural
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TELENcéfalo
Prosencéfalo
PROSENcéfalo
DIENcéfalo
Mesencéfalo
MESENcéfalo
METENcéfalo
Rombencéfalo
ROMBENcéfalo
MIELENcéfalo
Hemisfério cerebral
Telencéfalo Lóbulos olfatórios
Prosencéfalo
Epífise; Tálamo; Hipotálamo I
Diencéfalo Infundíbulo
Mesencéfalo
Colículos; pedúnculo cerebral
Metencéfalo
Cerebelo
Ponte
Rombencéfalo
Mielencéfalo
Bulbo
Medula Espinhal
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O MIELENCÉFALO é dividido em segmentos
chamados de rombômeros
Ao todo, são visíveis anatomicamente 7
rombômeros
Nat Rev Neurosci. 2005 Jul;6(7):553-64.
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Cada rombômero expressa genes distintos
Eliane Rossi
Rossi, E., Siwiec, F. & Yan, C.Y.I., 2007. Brazilian journal of
medical and biological research 40(10), pp.1333–8.
Nat Rev Neurosci. 2005 Jul;6(7):553-64.
As estruturas do Sistema Nervoso Central de Primatas e
outros mamíferos são similares
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Lumsden, A. & Graham, A., 1995. Current Biology, 5(12), pp.1347–1350.
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PADRONIZACÃO ROSTRO-CAUDAL DO TUBO NEURAL
Lumsden, A. & Graham, A., 1995. Current Biology, 5(12), pp.1347–1350.
Existe um outro sinal que determina o padrão rostro-caudal ?
Otto Mangold´s experiment
Mesoderm graft
Embryonic response
Secondary neural
axis AP level
Rostral
Ectoderm
Midbrain
Ectoderm
Midbrain
Ectoderm
Ectoderm
Caudal
Modified from Stern, C.D., 2001. Nature reviews. Neuroscience, 2(2), pp.92–8.
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Existe um outro sinal que determina o padrão rostro-caudal ?
Otto Mangold´s experiment
O mesoderma subjacente à placa neural provê uma
gradiente de sinais padronizadores.
Exposição a excesso de ÁCIDO RETINOICO gera mutantes
caudais
(com tubo neural caudal apenas)
control
Retinoic Acid
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Existe um outro sinal que determina o padrão rostro-caudal ?
Otto Mangold´s experiment
O mesoderma subjacente à placa neural provê uma
gradiente de sinais padronizadores.
MAS ISTO È SUFICIENTE??!!
Cada rombômero expressa genes distintos
Eliane Rossi
Rossi, E., Siwiec, F. & Yan, C.Y.I., 2007. Brazilian journal of
medical and biological research 40(10), pp.1333–8.
Nat Rev Neurosci. 2005 Jul;6(7):553-64.
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The Mid-hindbrain compartments express specific markers
Otx2: rostral to isthmus
Gbx2: caudal do Isthmus
En1: caudal mesencephalon, at the Isthmus, rostral metencephalon
Wang, V.Y. & Zoghbi, H.Y., 2001. Nature reviews. Neuroscience, 2(7),
pp.484–91.
Vieira, C. et al., 2010. The International journal of developmental
biology, 54(1), pp.7–20.
Does the isthmus have ORGANIZER properties (determine
patterning)? Or
Will the isthmus re-pattern the graft?
Flip rostro-caudally
Wang, V.Y. & Zoghbi, H.Y., 2001. Nature reviews. Neuroscience, 2(7),
pp.484–91.
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The isthmus can re-specify the rostro-caudal pattern in the
mesencephalon
control transplant
transplant
control transplant
Engrailed
Isthmus
Martinez, S. & Alvarado-Mallart, R.M., 1990. Developmental biology,
139(2), pp.432–6.
Existem várias formas de receber ligantes extracelulares:
Por contato direto
Por difusão de
proteínas
extracelulares
?
Por matriz
extracelular
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A região do istmo expressa FGF
•FGF (Fibroblast Growth Factor)
•Wnt
•BMP (Bone Morphogenic Protein)
•Ácido Retinóico
•Shh (Sonic Hedgehog)
HIPÒTESE:
O FGF do istmo determina o padrão
rostro-caudal do mesencéfalo
O QUE ACONTECERIA COM O
MESENCÉFALO NA SITUAÇÃO DE
excesso DE FGF?
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normal
excesso
Ms= mesencéfalo
O FGF é
a) Suficiente para expansão do
mesencéfalo
b) Necessário para expensão
do mesencéfalo
c) Necessário e suficiente
d) Impossível dizer
PADRONIZACÃO ROSTRO-CAUDAL DO TUBO NEURAL
Lumsden, A. & Graham, A., 1995. Current Biology, 5(12), pp.1347–1350.
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5/6/2015
Os segmentos do tubo neural recebem
vários sinais extracelulares
Nature Reviews Neuroscience 2, 99-108 (February 2001)
A identidade de cada segmento é o
resultado do somatório de sinais
Shh+Wnt
Shh+Wnt+BMP
Nature Reviews Neuroscience 2, 99-108 (February 2001)
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5/6/2015
Epiblast
Indução
Ectoderma
Neurectoderma
Padronização
Progenitores Neurais
Diferenciação
PADRONIZACÃO DORSO-VENTRAL DO TUBO NEURAL
Lumsden, A. & Graham, A., 1995. Current Biology, 5(12), pp.1347–1350.
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sobre o eixo DORSO-VENTRAL do tubo neural
Dica do dia:
Vias AFERENTES:
Aceita estímulo sensorial
Fica ACIMA/dorsal
Vias EFERENTES:
Emite estímulo Motor
Fica Ventral
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As vias AFERENTES sensoriais conectam com o corno Dorsal
As vias EFERENTES motoras são formadas no corno ventral
•Placa Alar (dorsal e sensitivoAFERENTE)
•Placa Basal (ventral e motor
EFERENTE)
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5/6/2015
Assimetria dorso-ventral do sistema nervoso central
Lupo, G., Harris, W. a & Lewis, K.E., 2006. Nature reviews.
Neuroscience, 7(2), pp.103–14.
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5/6/2015
A formação do tubo neural se dá pela elevação das DOBRAS
NEURAIS e a perda da conexão do tubo com o ectoderma de
revestimento
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O Tubo neural está numa posição anatômica assimétrica:
Dorsal: Epiderme
Ventral: Notocorda
Lumsden, A. & Graham, A., 1995. A forward role for Hedgehog.
Current Biology, 5(12), pp.1347–1350.
HIPÓTESE:
A assimetria dorso-ventral da
medula espinhal é consequência
da assimetria DV do tubo neural
embrionário
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Comprovação: Transplante de notocorda
na região lateral induz motoneurônios
TRANSPLANTE DE
NOTOCORDA
Moto
neurônios
NOTOCORDA
NOTOCORDA
The neural tube is generated with a molecular assymmetry:
Dorsal: Epidermis > BMP family members
Ventral: Notochord > Sonic Hedgehog > BMP inhibitors
BMPs / Shh
Liem, K.F., Jessell, T.M. & Briscoe, J., 2000. Development
127(22), pp.4855–66.
Gilbert Developmental Biology 8th ed.
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HIPÓTESE?
Shh gera motoneurônios
COMO TESTAR ESTA HIPÓTESE?
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A aplicação de Shh na região dorsal do tubo neural gera motoneurônios
Tubo neural com Shh/Vhh
Marcado para motoneurônio
Tubo neural normal
Marcado para motoneurônio
(Roelink et al, 1994)
Camudongos com deleção para o gene Shh carecem de motoneurônios
Mutante
Detecção de
motoneurônio
Normal
Nature 412, 194198 (12 July 2001)
72
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The relative proportion of Shh vs BMP signalling determines cell fate in the
DV axis
Existe uma relação de doseresposta para Shh e BMP ?
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A concentração relativa de Shh e BMP determina a identidade do neurônio
no eixo DV
Shh
BMP
Liem, K.F., Jessell, T.M. & Briscoe, J., 2000. Development, 127(22), pp.4855–66.
sobre síndromes...
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O Shh é produzido na notocorda, tubo digestório e broto do membro
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Camudongos com deleção para o gene Shh carecem de motoneurônios e
apresentam anomalias do S. Nerv. Central, dos membros e do sist. Digestório
Mutante
Detecção de
motoneurônio
Normal
Nature 412, 194198 (12 July 2001)
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Camudongos com EXCESSO do gene Shh apresentam polidactilia
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Síndromes = Efeito Eddie Murphy
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40
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Shh
BMP
Lumsden, A. & Graham, A., 1995. Current Biology, 5(12), pp.1347–1350.
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Populações celulares em posições diferentes recebem
estímulos extracelulares distintos
1
Shh+Wnt
2
3
1
Shh+Wnt+BMP
2
3
Nature Reviews Neuroscience 2, 99-108 (February 2001)
E tem mais...…
Lupo, G., Harris, W. a & Lewis, K.E., 2006. Nature reviews.
Neuroscience, 7(2), pp.103–14.
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5/6/2015
1. MATRIX
1. MATRIX
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O somatório de todos os sinais forma uma
matriz em 3D que determina a via de
diferenciação
http://plus.maths.org/content/matrix-simulating-world-part-ii-cellularautomata
2. DECISÕES
Waddington´s Hill: A visual model to explain the process of differentiation
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Induction
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Ectoderm
Epithelium
Neural
Rostral-caudal
Patterning
Neural
Dorso-ventral
Neural
BMP
Shh
RA, FGF, Wnt
Neural
Proliferation
Neural
Differentiation
E não se esqueçam, células se movem
durante a embriogênese.
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Síndromes3.
= Efeito
Eddie
Murphy
EDDY
MURPHY
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