神经系统的发育

Developmental Biology第三章 神经系统的发育Developmental Biology 一、 神经管的形成神经管 (neural tube)是中枢神经系统的原基，其形成称为 neurulation。 其 方式分 primary neurulation和secondary neurulation两种。1. Primary neurulation:由外胚层细胞增殖、内陷并最终离开外胚层表面而形成中空的神经管。绝大多数脊椎动物前部神经管的形成采用此种方式。Developmental Biology 外胚层细胞的命运： 背部 中线区的细胞将形成脑和脊髓；中线区外侧的细胞将生成皮肤；上述二者相交处的细胞为神经嵴细胞 (neural crest)， 它们将迁移各处形成外周神经元、色素细胞、神经胶质细胞等。Developmental Biology 神经管形成的起始： 来自背部中胚层的信号诱导预置神经板边缘的细胞的背测收缩，而预置的表皮细胞向中线移动，使表皮与神经板交接处凸起形成神经褶。Developmental Biology Primary neurulation的过程Developmental Biology神经管形成的扫描电镜图Developmental Biology 神经管与相邻外胚层细胞分离可能与细胞粘连分子有关Developmental Biology神经管沿 A P 轴线依次闭合，完成形成过程。 Developmental Biology 人类胚胎的神经管闭合缺陷症不同区域的神经管的封口时间不同。第二区封口失败，胚胎的前脑不发育，即致死性的无脑症；第 5区不封口导致脊柱裂口症。Sonic Hedgehog、 Pax3等因子是神经管闭合所必需的。孕妇服用叶酸和适量的胆固醇可降低胎儿神经管缺陷的风险。Developmental Biology 2. Secondary Neurulation特点： 神经管由胚胎内细胞组成的实心索中空而成。鸟类、哺乳类、两栖类动物胚胎的后部神经管及鱼类胚胎的全部神经管的形成采取此种方式。Developmental Biology斑马鱼神经管的形成Developmental Biology1.Organizer mesoderm 诱导神经管的形成两栖动物胚胎胚孔背唇诱导第二胚轴形成的作用叫做primary embryonic induction二、 神经 诱导作用Developmental Biology 主要胚胎诱导作用也存在于其它物种上鸭的 Hensens node移植到鸡胚上诱导一个次级胚轴形成Developmental Biology 斑马鱼的胚盾具有组织中心活性Developmental Biology神经诱导作用的机制组织中心产生的信号分子 (如Chordin、 Noggin、 Follistatin)可拮抗腹部化信号 (如 BMP4)， 从而使其附近的外胚层细胞朝预置的神经命运发育。Developmental Biology 三、 神经管的分化1.脑的分区Developmental Biology 2. 后脑的分区脊椎动物后脑一般都再分出多个 菱脑原节 (rhom-bomeres),每个菱脑原节是一个发育单位，节内的细胞可交换，而节间不能交换。后脑产生控制面部和颈部的神经，其产生的神经嵴细胞分化出周边神经和面部骨骼和结缔组织。Developmental BiologyHox基因在不同的 后脑区域有不同的表达谱Developmental BiologyHox基因在菱脑原节表达的转基因动物模型Hoxb2的一个增强子使lacZ在 r3和 r5中表达；而Hoxb1的一个增强子使碱性磷酸酶在 r4表达。Developmental Biology 四、 神经元的分化1.神经元命运的确定 lateral inhibition跨膜蛋白 Delta和 Notch的相互作用在神经元命运确定中起关键作用。二者互作后， Notch通过一系列反应抑制NeuroD和 Neurogenin的表达。Neurogenin是激活 Delta表达所必需的。Developmental Biology2.脊髓沿 D V轴线的分化脊髓沿背腹轴线的不同区域的细胞有不同的发育命运 .Developmental BiologyCommissural neurons Dorsal root ganglia Sensory neurons Motor neurons Developmental Biology 脊髓沿 D V轴分化的机制腹部命运： 决定于来自脊索和 floor plate的信号。将脊索置于脊髓的侧面或背部，其接触的脊髓部位将形成第二个 floor plate, 附近分化出 motor neuron, 但背部标志基因 pax3和 pax7的表达受抑制。 腹部信号分子是 Sonic Hedgehog， 其不同的浓度决定了不同的腹部命运 (高浓度诱导 motor neurons,而低浓度诱导 C. neurons)。背部命运： 决定于来自神经管形成中背部外胚层产生的 BMP4和 BMP7,它们能够诱导脊髓背部细胞表达 BMP4和 Dorsalin-1。背、腹部信号分子间的互作提供了脊髓细胞分化的位置信息。 如将 notochord去除后， Dorsalin的表达区就向腹部扩展。SHH BMP4、 BMP7 BMP4、 BMP7 BMP4Dorsalin-1SHH Developmental Biology 3.中枢神经系统的分层 在不同时间点产生的神经元的最终停留位置不同， 最早产生的最靠近管腔。左图为人类胚胎神经管不同区域的管壁的分层图示。最靠近管腔的一层为室管膜层，又叫 室管增殖区 ，其内的细胞 维持了分裂能力 。外套层 (mantle zone)来自室管膜层的细胞分化为神经元和神经胶质细胞。边缘区 (marginal zone) 主要为神经轴索和胶质细胞。Developmental Biology 脊髓神经系统的分层 Developmental Biology最初形成的神经管上皮细胞分裂产生两类细胞：能够继续分裂的上皮细胞；失去再分裂能力的神经细胞，它们沿放射状分布的胶质细胞向外迁移。Developmental Biology 室管膜层区细胞的分裂方式与子细胞命运的关系 Vertical division:分裂面与表皮细胞长轴平行，产生 2个有继续分裂能力的子细胞。Horizontal division:分裂面与表皮长轴垂直，只产生一个有继续分裂能力的子细胞。原因： Notch-1和 numb蛋白的不均匀分布。Developmental Biology五、神经元的生长和凋亡1.神经元的结构神经元一般包括 4个组成部分： soma, dendrites, axon, growth cone.Developmental Biology轴突绝缘层髓鞘 (myelin sheath)：由神经胶 质 细胞围