THE INDUCTION AND PATTERNING OF THE NERVOUS SYSTEM

Thomas M. Jessell

Joshua R. Sanes

Vertebrat sinir sisteminin farklı fonksiyonları çeşitli sinir hücre tipleri arasında belli bağlantıların şekillenmesine bağlıdır. Bu bağlantılar birkaç basamakta şekillenir:

İlk olarak ektodermal hücrelerden proliferasyonla nöral plak oluşur, immature nöron ve glia hücrelerinin kaynağıdır.

İmmatur nöronlar daha sonra proliferasyon zonundan final pozisyonlarına doğru göç eder ve aksonları hedef hücrelere uzanır. Büyüyen akson ve hedef hücre arasındaki bağlantı formasyonu daha sonra selektif sinaps formasyonunu başlatır. Bazı sinaptik bağlantılar güçlenirken diğerleri kaybolur.

Bu gelişimsel program nöral hücre tiplerinde ve bağlantılarında büyük bir çeşitlilikle son bulur. Sinir hücrelerinin farklanmasındaki temel prensipler diğer gelişimsel basamaklarına benzerdir.

Nöral gelişimi yönlendiren mekanizmaların çoğu değişik organizmalarda korunmuştur. Gerçekten de, vertebratlarda nöral gelişimin moleküler temeli hakkında öğrendiklerimizin çoğu meyve sineği Drosophila melanogaster ve nematode solucan Caenorhabditis elegans gibi genetik analizleri ortaya konulan organizmalardan elde edilen sonuçlardan çıkarılır. Bu bölümde esas olarak vertebrat sinir sistemi gelişimine ilişkin prensipler, erken dönem sinir sistemi gelişiminde hücre tiplerinin oluşumunu düzenleyen ilk sinyal olayları tartışılmaktadır.

►Sinir sistemi tümüyle ektodermden meydana gelir

Sinir sistemi embriyogenesisin döneminde gelişmeye başlar, öncelikle üç esas hücre (germ) tabakası oluşmuştur:

En içte yer alan tabaka endoderm: barsak ,akciğer,karaciğer;

ortada mezoderm: bağ dokusu, kas, vasküler sistem;

endışta ektoderm: santral ve periferik sinir sisteminin major dokularını meydana getirir.

Gastrula döneminde embriyonun dorsal orta hattı boyunca ektodermal hücreler nöral plak şekline dönüşür, columnar epitelyum oluşur, daha sonra nöral ve glial hücreler türevlenir. (F:1). Nöral plak dışında kalan ektoderm ise tabaka nöral program farklanmasının devamında başarısızlık göstererek derinin epidermisini meydana getirmektedir.

Nöral plak oluşumundan hemen sonra tübüler bir yapı şeklinde kıvrılmaya başlar, nöral tüp adını alır, bu olaya da nörulasyon adı verilir. (F-1)

Nöral tüp kaudal bölgesi spinal cord’u meydana getirirken rostral parçası beyni oluşturur.

Nöral gelişimin bu erken döneminde hücreler hızla bölünür. Nöral tüp uzunluğu boyunca hücre proliferasyonun derecesi aynı değildir, matur santral sinir sisteminde çeşitli özelleşmiş bölgeler oluşur. Nöral tüp rostral parçasındaki hücrelerin proliferasyonu ile üç beyin vezikülü oluşur: Ön beyin – Prosencephalon,

orta beyin – Mesencephalon,

arka beyin – Rhombencephalon. (F:2)

Gelişimin bu erken dönemindeki üç veziküllü evrede iki kıvrım görülür: cervical flexure: m. spinalis ve rhombencephalon arasında,

cephalic flexure: rhomb. ve mesenc. arasında .

Daha sonra pontin flexure 3. bir flexure olarak belirir. Servikal ve pontin flexure sonunda düzleşir ancak sefalik fleksur gelişim boyunca belirgindir.

Daha sonraki gelişim döneminde primer embriyonik veziküllerin ikisi bir kez daha bölünür. (Tablo: 1)

►Nöral hücre farklanmasını indüktiv sinyaller kontrol eder.

Nöral doku formasyonunu oluşturmak üzere ektoderm hücrelerinde farklanmayı başlatan hangi faktörler belirtilmiştir?

Sinir sisteminde farklanma , diğer organlardaki gibi, hücrelere özgü spesifik genlerin ekspresyonu (ifadesi) ile kompleks bir program sonucudur. Genlerin ifade edildiği bir hücrede iki büyük faktör tanımlanır:

1.grup başka hücrelerden gelen sinyal molekülleri, indükleyici faktörler. Bu faktörler serbestçe diffüze olabilir, böylece uzun bir alana etkili olabilir veya hücre yüzeyinde lokal etkili olabilir. Embriyoda farklı durumlarda hücrelerde farklı indüktör faktörler gösterildiğinden erken gelişim dönemindeki bir hücrenin kaderini belirleyen kritik önem taşır.

2.grup faktör aktive edilen veya uyarılan hücrelerde bulunan moleküllerdir. Yüzey reseptörlerini içeren bu moleküller indüktör faktörlere aracılık ederler. Bu reseptörlerin aktivasyonu daha sonra transkripsiyon faktörlerin aktivitesini module eder ve hücreye özgü fonksiyonları yerine getiren proteinleri kodlayan gen ekspresyonunu düzenler. Hücrenin induktiv sinyallere yanıtı competence, belli reseptörlerin varlığına, transdüksiyon moleküllerine ve eksprese edilen transkripsiyon faktörlerine bağlıdır.

Böylece bir hücrenin kaderi kısmen sinyallerle kısmen de kendi gelişim hikayesinin bir sonucu olarak eksprese edilen gen profiliyle belirlenir . Sinir sisteminde bulunan çok sayıdaki hücre tipinin oluşum mekanizmasının anlaşılmasındaki anahtar, nöral plak formasyonunu tetikleyen hücrelerarası sinyaller ve hücre içi mekanizmada bulunmaktadır.

◆Nöral plak komşu mezodermden sinyallerle indüklenir

Sinir sisteminin nonnöronal hücrelerden gelen sinyallerle indüklendiğinin ilk kanıtı:

1924’te Hans Spemann ve Hilde Mangold, amfibi embriyolarında ektodermden nöral plak farklanmasını “organize edici bölge” olarak tanımlanan özelleşmiş bir grup hücre tarafından salınan sinyallere bağlı olduğu konusunda temel bir buluş yaptı.

S ve M gastrulasyonda transplante edilen hücrelerin normal gelişim programını takip ettiğini aksial mezodermin ve notokordun oluştuğunu gösterdi. Sonuçta transplante edilen hücreler konak ektoderm hücrelerinin kaderinde dramatik bir değişikliğe neden olmuştu. Konak embriyoda gerçek bir sinir sistemi içeren bir dublike vücut ekseni şekillendi. Sadece organize edici bölgedeki hücreler bu etkiye sahipti, erken gastruladaki diğer bölgelerin 2. bir vücut ekseni oluşumunu indüklemediği görüldü. (F:3)

►Nöral indüksiyon Bone Morfogenetik Protein (BMP) sinyallerinin inhibisyonuna yol açar.

Kurbağa Xenopus leavis embriyosundaki son çalışmalar nöral indüksiyonu anlamamıza büyük katkısı oldu.

İlk bulgu sürpriz bir şekilde nöral farklanmadaki potansiyelin aslında ektodermdeki default stage- kusurlu evre durumuydu ve basit bir deneyle gösterildi. Ektodermden birkaç hücre çıkarıldığında (herhangi bir hücreler arası haberleşme önleniyor) ve herhangi bir faktör eklenmeksizin kültürü yapıldığında tek tek bu hücrelerin nöral dokuya şekillendiği görüldü. Bu incelemeyle embriyoda nöral farklanmaya giden ektodermal hücrelerin kapasitesi komşu hücreler arasındaki sinyal ileti haberleşme ile baskılanıyordu.

Bu baskılayıcı sinyalin mediatörleri TGF alt sınıfı BMP ile ilgili proteinlerdir. BMP sinyalinin bloke edilmesi nöral farklanmada tetik mekanizmayı oluşturmaktadır. Tersine BMP sinyali ektodermin epidermise farklanmasını sağlar. Bu bulgularla organize edici bölgeden indüktiv sinyal , BMP sinyalinin bloke edilmesi ile nöral dokuyu indükleme olasılığı ortaya çıkarıldı.Organize edici bölgedeki hücrelerde bulunan follistatin, noggin, chordin 3 salınan proteinin gösterilmesi bu fikri direk olarak desteklemiştir. (F: 4)

BMP sinyalinin inhibisyonu ile tetiklenen nöral plak hücrelerinin farklanması Sox gen ailesinin transkripsiyon faktörlerinin expresyonuna yol açar. Uyarılan nöral plak hücrelerinin kaderi iki sinyal sistemi ile kontrol edilir: böylece nöral tübün dorsoventral ve anteroposterior ekseni boyunca nöral plak oluşumu kontrol edilir.

►Nöral plak komşu nonnöronal hücrelerden gelen sinyallerle dorsoventral ekseni boyunca şekillenir.

Medulla spinalis gelişiminde erken dönemde nöral tübün dorsoventral ekseni boyunca farklı pozisyonlarda farklı hücreler oluşmaktadır.

Nöral tüp ventralinde orta hatta glial hücreler taban plağını oluşturur. (F:5A). Motor nöronlar taban plağının lateralinde gelişir ve ara nöronlar motor nöronlara dorsalde uzanırlar.

Nöral tübün dorsal yarımında ise başlıca iki tip hücre topluluğu şekillenir: Nöral krista hücreleri periferik sinir sisteminin oluşumunda rol oynar, orta hattaki tavan plağı hücreleri ise özelleşmiş glial hücrelerdir. Daha sonraki dönemde ise dorsal duyu internöron sınıfına farklanır.

Bütün bu hücrelerin kimliği ve dorsoventral pozisyonları nasıl belirlenmektedir?

►Nonnöronal hücreler

Ventrali nöral plak altında notokorddan;

Dorsali nöral plak lateral kenarlarında epidermal ektodermden

gelen sinyallerle kontrol ediliyor.(F:5B)

►Ventral nöral tüp notokord ve taban plağından salgılanan Sonic Hedgehog tarafından şekillenir.

Organize edici bölgedeki mezodermal hücreler ve sonra notokord iki tip sinyal uyarı meydana getirir:

Lokal etkili sinyal, nöral plak orta hattında uzanan taban plağı formasyonunu uyarır.

Uzun mesafeli sinyal hem motor hem de ventral internöronların farklanmasını uyarır.

Notokordun kısa ve uzun sinyal aktivitesi aynı proteinle mediate edilir: Sonic Hedgehog (SHH), Hedgehog ailesinin bir üyesi, Drosophila embriyosunu çok yönlü kontrol eden bir gendir. Taban plağı hücrelerini, motor nöron ve ventral internöronların farklanmasını uyarabilir.

SHH’nin eliminasyonu notokord indüksiyonunu bloke eder. Bu nedenle nöral tüp ventral yarımında oluşan hücrelerin indüksiyonu için hem gerekli hem de yeterli bir proteindir.

Tek başına bir protein, SHH, santral sinir sistemi ventral yarımında farklı hücre tiplerinin kaderini nasıl belirliyor?

Bu sorunun yanıtı SHH’nin sadece bir uyarıcı değil aynı zamanda bir morfogen gibi etkili olmasındadır.

Bir indüktiv sinyal çeşidi, farklı konsantrasyon eşiklerinde farklı hücre kaderini yönetebilir: düşük konsantrasyonlardaki SHH, ventral internöronların uyarılmasında; daha yüksek konsantrasyonlar motor nöronların, daha fazla artışta ise taban plağı hücrelerinin oluşumunu uyarıyor. (F:6B)

(F:6C).

Bu sinyal yolu, SHH proteinin bir heterodimerik reseptör kompleksi ile bağlanmasıyla tetiklenir. SHH, reseptörün bir subunitine bağlanıyor, bu transmembran proteinine patched adı veriliyor. Bu bağlantı 2. subunite-bir transmembran proteini-smoothened baskısından kurtarıyor. Smoothened aktivitesi, birkaç proteinkinazı regüle ederek ve transkripsiyon faktör sınıfı, gli proteinlerini aktive ederek hücre içi sinyali oluşturuyor.

SHH sinyal ileti yolunun farklı komponentlerinin kesilmesi insanlarda geniş bir hastalık çeşitliliğine neden olur. İnsan SHH gen mutasyonları holoprosencephaly olarak bilinen bir sendroma neden olur, ventral ön beyin yapılarındaki gelişim kusurudur. İnsanda patched, smoothened, gli proteinlerindeki mutasyonlar spina bifida, extremite deformiteleri, hatta kanser gibi nörolojik defektlerle sonuçlanır.

Dorsal nöral tübün kontrolünde hücrelerin kaderi nasıldır?

►Dorsal nöral tüp epidermal ektoderm ve tavan plağından salgılanan Bone morphogenetic protein tarafından oluşur.

Nöral krista, tavan plağı ve dorsal internöronlarda hücre tiplerinin farklanması nöral tüp lateralindeki ektoderm hücrelerinden BMP sinyalleri ile başlatılır.

Nöral tüp kapandıktan sonra tavan plağı hücreleri birkaç BMPs eksprese eder ki bunlar dorsal spinal kordda duyu internöronlarının birkaç sınıfını oluşturmaktan sorumludur.

(F:7).

BMP sinyalleri , SMADs olarak tanımlanan bir transkripsiyon faktör sınıfı tarafından yüzey membranından nukleusa iletilir. BMP sinyalinin yokluğunda SMAD proteinleri sitoplazmada unfosforilize bir durumda bulunur. BMP reseptörlerinin aktivasyonuna bağlı olarak SMADs fosforilize olur ve nukleusa girer dorsal hücrelere özgü transkripsiyon faktörlerinin ekspresyonunu kontrol eder.

(F:7C)

BMP sinyal ileti yolu:

BMP ligandı tip II reseptöre bağlanır fosforilasyonu ve tip I reseptörünün aktivasyonunu tetikler

Tip I reseptörleri SMAD 1,5 proteinlerini fosforile eder

Aktive olan SMAD1,5 ve SMAD4 ile birlikte nukleusa transloke olur hedef genlerin transkripsiyonunu regule eder.

(F:8)

►Nöral tüp rostrokaudal ekseni birkaç evrede oluşur

Nöral tüp kraniyalinde Follistatin, noggin, chordin tarafından uyarılan nöral doku genleri exprese ettiği görülür ki bunlar ön beyin için karakteristiktir.

Bu nedenle posterior nöral doku indüksiyonu için ayrıca sinyal yolları gerekebilir:

Fibroblast Growth Factor ailesinden proteinler ve başka bir molekül retinoik asit posterior nöral dokuda indüksiyona yol açar.

Sonuç olarak, nöral plakta erken anteroposterior hücrelerin düzenlenmesi farklı nöral uyarı ve oluşum sinyallerinin kombine etkisini gerektirebilir.

Sonuçta nöral tüpte aynı dorsoventral pozisyonda ancak farklı rostrokaudal seviyelerde ayrı kimlik ve fonksiyonda nöronlar gelişir.

Nöral tüp rostrokaudal seviyelerinde örn.nöral hücreler Rhombensefalonda belli segmental birimler halinde nasıl organize olurlar ve daha ön seviyelerde Mesen.. ve Prosen..da oluşum nasıl kontrol edilir?

◆Rhombencephalon Hox genleri tarafından segmental olarak organize edilir

Rhombencephalon gelişiminin anlaşılması, ilgili nöronları etkileyen nörolojik hastalıkların temelini anlamak için önemlidir: amyotrophic lateral sclerosis (Lou Gehrig hastalığı) ve duyu nöropatileri

Rhombencephalon gelişiminde nöral tüp segmentlerine nasıl ayrılmaktadır?

Yüzyıldan fazla nöral tüp periyodik kabarıklıklar gösterdiği biliniyordu ancak bu konu belirsizdi. Rhombomer

Rhombencephalonun gelişimsel önemi nöron organizasyonu ve kraniyal sinirler ve periferik yapılardaki innervasyon arasındaki ilişkiler detaylı çalışmalarla ortaya çıkarıldı.

Rhombomer çiftlerinde belli duyu ve motor nöronları bulunur bunlar kendi brakial arkuslarını innerve eder. Brakial arkuslar (yutak kavisleri) suda yaşayan vertebratların solungaç yapılarının evolusyondaki türevleri olarak bulunan embriyonik dokulardır. (F:9).

Rhombencephalondaki organizasyon nasıl düzenlenmektedir?

Hox genleri rhombomerleri özgün olarak kontrol eden genlerdir. Bu genler, homeodomain olarak tanımlanan proteinleri kodlar.

“Homeobox genleri vertebratlarda ve Drosophilada vücut planını düzenleyen genlerdir.

Drosophilada vucut şeklinin gelişimi ile ilgili çalışmalarda temel bilgiler elde edilmiştir. 1980 , Christiane Nüsslein-Volhard ve Eric Weischaus Drosophila da erken dönemde ilk olarak genleri sistematik bir şekilde tanımlamıştır.

Ed Lewis , homeotik genleri (vucut segmentlerinin dizisini ve kimliğini belirleyen genler), Homeotik kompleksi HOM-C genlerini tanımlamıştır.

Homeobox genler omurgalılarda da bulunmaktadır. İnsan ve fare genomunda dört homeobox gen kümesi (Hoxa,Hoxb,Hoxc,Hoxd) farklı kromozomlarda lokalize olmaktadır. Vertebrat hox genleri, M.spinalis ve Rhombencephalon gelişiminde anteroposterior eksen boyunca sıralanan alanlarda eksprese edilir. Rhombencephalon hox gen ekspresyonu nöral tüp iç mekanizmalarıyla regüle edilir aynı zamanda mezodermal hücrelerden gelen sinyallerden de etkilenmektedir.

Drosophiladaki HOM-C kompleksi ve faredeki hox kümeleri Vertebrat ve insektaların ortak bir atadan meydana geldiklerini, genetik kontroldeki önemli bilgilerin evrimsel süreçte korunduğunu düşünülür”

Faredeki genetik çalışmalarla hox genlerinin rhombomerlerdeki hücrelerin kimliğini belirlediği ortaya konmuştur. (F:11)

Bir örnek olarak hoxb-1 geninin rhombomerlerde hücrelerde nasıl etkili olduğu gösterilmiştir. (F:12) Hoxb-1 normal olarak r4 seviyesinde eksprese edilir. Bu hox genini elimine etmekle r4 hücrelerinin kaderi, motor nöron kimliğini değiştirir. Hoxb-1 mutant embriyolarda r4 te kaudale migrasyon görülmez.

Trigeminal motor nöronlar r2 de oluşur ve laterale migrasyon gösterir, Fasial motor noronlar ise r4 segmentinde kaudale migrasyon gösterirler.

Arka beyinde Hox gen ekspresyonu aynı zamanda organize edici bölgeye bitişik mezodermal hücrelerde eksprese edilen retinoik asit tarafından regüle edilir. Retinoik asit uygulanan memeli embriyolarında , hox gen ekspresyonundaki değişikliğe bağlı olarak teratojenik ve karaniofasial anomaliler meydana gelebilir.

►Mesencephalon nöral organize edici merkezden gelen sinyallerle oluşur

Hücrelerin oluşumu isthmus bölgesinden gelen uzun mesafeli sinyallerle kontrol edilir mesencephalon ve metencephalon arasında yer alan ikinci bir organize edici merkez.

Isthmus hücrelerinin graftı mesencep karakterini ortaya çıkarır.

· iki sinyal molekülü Wnt-1 ve FGF8 isthmus hücrelerinden salınır ve mesencephalon farklanmasını kontrol eder

· iki homeodomain protein ekspresyonu engrailed 1 ve 2 kaudalden rostrale doğru derecelenir.

(F:13)

Sonuçta rhombencephalon gibi mesencephalon rostrokaudal oluşumu homeodomain proteinlerin ekspresyonunu regüle eden lokal indüktiv sinyalleri ile kontrol edilir.

◆Prosencephalon gelişiminde rostrokaudal eksen boyunca alt bölümlere ayrılır.

Santral sinir sisteminin diğer bölgelerinin aksine Prosencephalon gelişimindeki moleküler olaylar hakkında çok fazla bilgi yoktur. Ancak önbeyin erken gelişiminin nöral tüp kaudaline benzer bir şekilde kontrol edildiğine dair bilgiler bulunmaktadır.

Rostrokaudal ekseninde transvers şekilde organize edilmiş alanlar

PROSOMERlerdir.

Prosomer 1-3 diencephalon kaudal bölümünde

Prosomer 4-6 rostral diencephalon ve telencephalonda gelişir.

Rostral dienceph. ventral bölgesi hipothalamus ve bazal ganglionları meydana getirir.

Rhombencephalondaki gibi isthmusdan mesen. oluşumunun kontrolüne benzer bir şekilde, SHH, prosomer 2-3 arasında zona limitans imterthalamica adı verilen sınırda bulunan hücrelerde eksprese edilir. Bu bölgeden gelen sinyaller önbeyinde hücre oluşumunu kontrol edebilir.

Soru? Herbir prosomerden ayrı bir gelişimsel kompartman mı gelişiyor

Prosen.’nun erken dönem alt bölünmesinde hücreler bağımsız gelişmesi beklenebilirdi. Ancak neokortekste bazı nöronların telen.’da striatal subdivisiondan göç eden hücrelerden geliştiği bilinmektedir. Bu striatal progenitörler iki homeodomain protein eksprese eder, DLX-1 ve DLX-2. Farede bu proteinlerin eksikliğinde, striatal progenitörler neocortex içine göç edemedikleri gösterilmiştir.(F:14)

Bu durum telen. tüm alt bölümlerinin bağımsız olarak gelişmemesini kanıtlar. Bununla beraber, homeobox gen ekspresyonunu kontrol eden indüktiv sinyaller önbeyin gelişiminde korunması temel prensiptir.

Soru? Rostrokaudal ve dorsoventral oluşumun bu moleküler çalışmalarında hangi esaslar belirlenmiştir?

Embriyonik gelişime yol açan Hox genleri, SHH ve diğer gen çalışmaları Filogeni boyunca korunan molekülleri de ortaya çıkarmıştır.

1990’lı yıllarda ortaya çıkan bilgiler, gelişimsel sinyallerin ve hatta sinir hücre farklanmasının tüm programlarının sürpriz bir şekilde vücut şekillerindeki muazzam farklılıklara rağmen korunmuş olduğudur. Hox genlerinin örnekleri ve SHH aynı transkripsiyon faktörleri vertebrat ve insectler gibi farklı hayvanlarda vucut şeklini kontrol eder.

Memeli serebral korteksinde bölgesel özelleşme nasıl gelişmektedir?

►Serebral korteksin bölgesel farklanması hücre farklanmasının intrinsic programı gibi afferent inputlara bağlıdır.

Nöronal tabakalanma oluşumunda ve nöronal bağlantılardaki farklılıklarla yetişkin korteksinde belli fonksiyonel alanlar tanımlanabilir.

Korteksteki bölgesel farklanmanın gelişimi ile ilgili olarak somatosensorial kortekste çalışılmıştır. Sıçanlarda bu bölge barrel adı verilen yapılar içerir. Bu yapılar, talamustan afferent inputların somatotopik olarak organize edilmesi nedeniyle vücut yüzeyindeki bıyık alanlarını yansıtır.

Normalde doğumdan sonra belirginleşir ve gelişimin kritik bir periyodunda barrel formasyonunun oluşumu periferden gelen inputlara bağlıdır. Bu kritik periyod esnasında derideki bıyık alanları elimine edilirse kesintiye uğrar. Eğer gelecekteki vizüel korteks dokusu doğum zamanında somatosensor korteks alanına transplante edilirse, bu bölgede benzer şekilde barrel gelişir.

Serebral korteksin bölgesel farklanması hücre farklanması afferent innervasyona bağlıdır. (F:15)

Neokorteks bölgesel farklanmasının bazı yönleri de, afferent innervasyondan bağımsız intrinsic olarak programlı görünmektedir. Şaşırtıcı bir örnek, sadece somatosensorial kortekste eksprese edilen b- galactosidase taşıyıcı genin bir transjenik fare hattında gösterilmesi ile ortaya çıkarıldı. (F:16). Farenin bu zincirindeki gelecekteki somatosensorial korteksin, korteksin başka bir bölgesine graftı yapıldığında; transplante edilen hücreler yeni lokalizasyonuna rağmen b- galactosidase eksprese etmeye devam ederler. Böylece Korteksin belli lokal özelliklerine rağmen daha sonraki gelişime kadar özelleşmez, kortikal alanlar arasındaki intrinsic farklılıklar daha erken dönemde başlar ve bu farklılıklar korteksin bölgesel olarak özelleşmesinin önemli kriterlerinin temeli olabilir.