ÜNİTE 8: SİNİR SİSTEMİNİN GELİŞİMİ

Gelişmiş bir sinir sisteminin tüm aktivitesi (duysal/motor/bilişsel) ancak milyonlarca nöron arasındaki iletişimin doğru kurulması sayesinde gerçekleşebilir.

 

Sinir sisteminin yapısı üzerine çalışmalar:

·         Yüz yıl önce Ramon y Cajal

·         Modern çalışmalar: Ramon y Cajal’ın tanımladığı yapıların hücresel ve moleküler tanımlanması

·         Son on yıl: Nöral gelişimin moleküler boyutu ile ilgili ilerlemeler. Nöronların farklılaşması, aksonlarını hedefe ulaştırması ve sinaptik bağlantılar oluşturması ile ilgili protein yapıların gösterilmesi.

o       Drosophila

o       Caenhorabitis elegans

 

Gelişim:

·         Bu süreç esnasında özel alanlarda özel genlerin ekspresyonu.

·         Gen ekspresyonu: “hard-wired " moleküler programlar ve genetik etki.

 

Gelişim süreci:

·         Hücresel kaynaklar (hücre organelleri, sekrete edilen moleküller vs.)

·         Dış uyaranlar (besin türleri, duysal uyaranların çeşitliliği vs.)

 

 

BÖLÜM 54: AKSONLARIN HEDEFLERİNE YÖNLENDİRİLMESİ

Önceki iki bölüm: Uygun sayıda nöronun doğru zaman ve yerde istenilen özellikte farklılaşması

Soru: Örneğin bir zürafada bir nöronun aksonu metreler boyunca uzun mesafelere ulaşabilir ve yol boyunca sinaps yapabileceği milyarlarca potansiyel sinaptik hedeften geçer. Neden/nasıl onlarla değil, hedeflediği nöron ile sinaps yapıncaya kadar büyümeye devam eder??

Cevap: Büyümekte olan akson, üzerindeki reseptörleri ile, çevrede yer alan "moleküler" ipuçlarını değerlendirir.

Bu bölümde:

-         "Pathway "ler boyunca bulunan ipuçları

-         Aksonların ipuçlarına yanıtı

-         Büyümekte olan akson ile çevresi arasındaki iletişimi sağlayan moleküller

-         Akson yönlendirici molekül ailelerinin birbirleri ile ilişkisi

 

Aksonların Hedefine Yönlendirilmesinde Özgül Moleküler İpuçları

·          Yirminci yüzyılın büyük çoğunluğu: Akson yönlendirilmesinin nasıl oluştuğuna dair tartışma.

o       Fizyolog Langley (aynı zamanda otonom sinir sisteminin topografisini gösteren kişi): Bazı moleküller aksonların yönlendirilmesinde rol oynamakta

o       Biyolog Paul Weiss: Aksonlar sadece genel (özgül olmayan) bilgi alır, böylece aksonal büyüme tesadüfi olarak meydana gelir. Ancak, uygun olmayan sinaptik bağlantılar ortadan kaybolurken, sinapsın elektriksel aktivite modeline uygun olanlar yaşamını devam ettirir.

o       Weiss'in iddialarının dayanakları:

§         Aksonlar kültürlerde mekanik etkilere uyarlar, örneğin lam üzerinde çatlak varsa onun boyunca büyümeye devam eder (Mekanik yönlendirme = Stereotropism ).

§         Bir sinapsın kendine özgü elektriksel aktivitesi vardır ve bundan farklı bir elektriksel modelde varlığını sürdürmesi olanaklı değildir (resonance )

o       1940'larda Weiss'in görüşlerini çürüterek moleküler kanıtları gösteren kişi: Roger Sperry (Weiss'in öğrencisi!!!)

o       Halen stereotaksi ve rezonansın gelişimdeki önemini dışlamayan bilim insanları var.

 

Sperry'nin deneyi

·          Görsel bilgiler retinadaki gangliyon hücrelerinden sinir sistemine ulaştırılır.

·          Alt sınıf vertebralılarda görüntü talamus yolu ile superior kollikulus'a (optik tektum) ulaşır ve görme merkezi burasıdır.

·          Retinanın nasal tarafından gelen aksonların çoğu tektumun temporaline, temporal tarafından gelenlerin çoğu ise tektumun nasaline yansıyarak, görüntünün ters bir haritasını oluşturur.

·          Kurbağada optik sinir kesildiği takdirde hayvan görme yeteneğini kaybeder ancak, -memelilerdekinin aksine- bir süre sonra kesilmiş optik aksonlar tektuma rejenere olabilir.

 

Fig 54-1 A

 

·          Sperry: Optik siniri hasarladıktan sonra rejenere olmadan önce göz küresini 180° döndürerek yerleştirdi.

·          Bağlantılar yeni duruma göre değil, orijinal konuma göre (nazalden temporale, temporalden nazale) gelişti ve kurbağa oryantasyon açısından ters hareket etmeye başladı. Ayrıca kurbağa bu kusuru düzeltmeyi hiç bir zaman öğrenemedi.

 

Fig 54-1 B

 

·          Sonuç: Aksonlar, rastgele oluşmuş bağlantıların fonksiyonel geçerliliklerine göre değil, bazı kimyasal ipuçları ile yönlendirilir (Chemospecificity theory ).

·          Modern görüş: Embriyonik dönemde aksonların yönlendirilmesi özgül kimyasal ipuçları ile yapılır ancak, uygun bir sinaptik bağlantının oluşması için elektriksel model olarak da uygunluk sağlanmalıdır.

 

Hedefe ilerleyen aksonun ipuçlarından yararlanarak "karar vermesi"

Bir Retinal Gangliyon Hücresinin Hedefe Doğru 'Adım Adım' İlerlemesi

·          Aksonun retinayı terk etmesi; akson optik sinir tabakasına girer ve retinal bazal lamina boyunca büyümeye devam eder, daha sonra optik sinir sapına girerek beyne kadar ulaşır.

·          Bu yolu kat eden ilk aksonların 'öncü' aksonlar olduğu, diğer aksonların bu öncüleri izlediği gösterilmiştir.

·          Optik kiazmaya kadar aynı yolu izleyen aksonlar burada bir 'seçim' yapar: Retinanın temporalinden gelenler aynı tarafta yolu izlemeye devam ederken, nazalden gelenler karşı tarafa geçerek ilerler.

·          Optik kiazmadan sonra tüm aksonlar optik traktusa katılarak diensefalonun ventral yüzeyi boyunca ilerlerken belirli akson grupları değişik yerlerde traktusu terk eder.

o       Çoğu vertebralıda aksonların çoğunluğu tektumda (superior kollikulus) sonlanırken küçük bir kısmı LGN'a (talamusun lateral genikulat nukleusu) uzanır.

o       İnsanlarda ise, tersine, aksonların büyük kısmı LGN'a, az bir kısmı superior kollikulusa uzanırken küçük bir kısmı da pulvinar ve pretektal nukleuslarda sonlanır.

·          Tektuma ulaşan ve burada dış dünyanın topografik yansımasını oluşturan aksonlar bundan sonra tektal nöropil içine girer ve uygun tabakalarda sonlanır.

 

Fig 54-2

 

·          Aksonların doğru yönlenmesine yönelik bir çok araştırmadan biri; Godemont ve ark. (1994). Retinal boya ile işaretlenmiş aksonların video kaydı ile izlenmesi.

 

Fig 54-3

 

·          Sonuç: Optik kiazmanın orta hattında yer alan hücreler kontrlateral veya ipsilateral aksonlar için ara bir hedef niteliği taşır. Salgıladıkları moleküller ile aksonları kendine doğru çeker ya da uzaklaştırır.

 

-------------

 

·          Aksonların belli bir hedef tarafından "attrakte" edilemesinin bir başka kanıtı; Nakamura ve O'Leary (1989). Retinanın belli bir bölgesinden gelen aksonlar tektumda belli bir hedefte toplanırlar. Hedefi geçmiş olanlar bile geri dönerek uygun yerde sonlanır!

 

Fig 54-4

 

·          Embriyonik doku nakli ile yapılan hedef çalışması; Harris (1989). Greftler farklı pozisyonlarda implante edilmesine rağmen, kendi orijinal yönlerinde hareket eder.

 

Fig 54-5

 

Motor Nöronların Periferik Sinirler Boyunca Büyümesi

·          Bir kasa giden motor nöronlar medulla spinaliste bir "motor havuz" içinde bulunur. Buradan çıkan aksonlar, uzun mesafeler kat etmelerine rağmen doğru yönlendirme sayesinde hedeflerine ulaşırlar.

·          Bu yönlendirme de retinal aksonlara benzer şekilde adımlar şeklinde oluşur.

o       Tüm medulla spinalis boyunca buradan ayrılan aksonlar kendi türünden olanlar ile bir araya gelir.

o       Dorsal ve ventral kaslara gidecek aksonlar kendi içerinde bir pleksus oluşturur.

o       Aksonlar kıkırdak ve deri yapılarından uzak kalarak periferik sinir içinde yol almaya devam eder.

 

Fig 54-6

 

o       Bir kas grubuna giden motor aksonlar uygun yerde periferik siniri terk eder.

o       Aksonlar kas içinde yol alırken uygun yerde liften ayrılarak gerekli sinaptik bağlantıları oluşturur.

 

Çevredeki Hücresel Yapıların Büyümekte Olan Aksona Rehberliği

·          Ekstrasellüler matriks adhezyon kuvvetleri.

·          Öncü aksonlar. Embriyonik dönemin ilk aşamalarında (uzaklıklar göreceli olarak az iken) bir öncü akson ipuçlarından yararlanarak hedefine ulaşır. Daha sonra büyüme ile uzaklıklar da artar ancak, diğer aksonlar öncü akson sayesinde hedefe ulaşır.

·          Hücre yüzey molekülleri. Kemotaksis benzeri etki gösterirler.

·          Diğer kimyasal çekiciler (attractors )

·          Negatif (inhibitör) etkiler.

 

Fig 54-7

 

AKSONUN YÖNLENDİRİCİ İPUÇLARINA CEVAP VEREN BİRİMİ: BÜYÜME KONİSİ (GROWTH CONE )

·          İlk kez 1890'larda Ramon y Cajal tarafından öne sürüldü! Çok sonraları araştırmalar ile kanıtlandı.

o       "bu işlemleri oluşturan mucizevi güçler... büyüme ve dallanmayı sağlarken... protoplazmik öpüşmelerle... epik bir aşk hikayesinin son kendinden geçiren coşkusunu (ecstasy) oluşturur"

o       Daha modern ve sıradan sözcüklerle; büyüme konisi, pozitif ve negatif ipuçlarını sinyallere dönüştürerek sitoskeletonu düzenler ve aksonun büyümesini yönlendirir.

·          Büyüme konisinin üç bölgesi:

o       Mikrotübül, mitokondri ve diğer organellerden zengin merkezi kısım

o       Gövdeden çıkan ince uzantılar: filopodia

o       Filpodia arasında yer alan, kırışık görüntülü ve hareketli kısım: lamellipodia

 

Fig 54-8

 

·          Büyüme konisinin ipuçlarına duyarlı kısmı filopodia üzerindeki aktinden zengin bölgesidir. Bu bölge üzerinde kimyasallara duyarlı çok miktarda reseptör bulunur.

·          Çıkıntılı durumdaki filopodia, etrafı "araştırı", sinyalleri alarak büyüme konisine iletir ve aksonun ilerlemesi, gerilemesi ya da dönmesi için gerekli uyarıların oluşmasını sağlar.

·          Akson hareketi, aktin, miyozin ve daha başka membran elemanları tarafından sağlanır.

·          Adheziv bir maddeye temas eden filopodia, membran veziküllerinin füzyonu ile ilerler, daha sonra aktin polimerizasyonu ile hareket ilerler.

 

Fig 54-9

 

Sitoskeletonun İlerleyici Hareketinde İkinci Haberciler

·          Filopodia üzerindeki reseptörler genellikle ikinci haberci sistemleri ile bağlantılıdır.

·          İkinci habercilerin en önemlilerinden biri: Ca2+ ; büyüme konisinin aktivasyonu için bölgedeki Ca2+ konsantrasyonu önemli.

 

AKSONLARI YÖNLENDİREN İPUÇLARI (İŞARETLERİN) SINIFLANDIRILMASI

·          Uyarıcılar / inhibe ediciler

·          Hücre yüzeyinde yer alanlar / ekstrasellüler matrikste yer alanlar

·          Membrana bağlı olanlar / çözünmüş durumda bulunanlar

·          ......

 

İntegrin - Laminin İlişkisi

·          Çoğu periferik sinir aksonu bağ dokusu veya bazal lamina boyunca ilerler.

o       Önceleri bunun bir kanal yapısı veya sert yüzey nedeniyle gerçekleştiği düşünülmekteydi.

o       Sonraki çalışmalar bunun bilinçli bir tercih olduğunu gösterdi: Aksonlar ortamda daha destekleyici sert bir yüzey olsa bile ilerlemek için adheziv (yapışkan) yüzeyleri tercih eder.

 

Fig 54-10A

 

o       Bazal laminanın tercih edilmesinin nedeni ise burada bulunan ve şimdiye kadar 14 trimeri gösterilmiş olan laminin grubu proteinler,

o       Büyüme konisindeki bir çok "matrix-binding " proteinden biri olan integrin grubu ise hem kollajene, hem de lamininlere bağlanabilme yeteneğinde.

 

Fig 54-10B

 

Hücre-Hücre Adhezyonuna Neden Olabilen Moleküller, Akson Büyümesini de Hızlandırır

·          Hücrelerin gruplar oluştururken seçici davranmasının, eski bilgilere göre, sadece karşı karşıya gelen membranlar arasındaki benzer adheziv ilişkilerden kaynaklandığı düşünülürdü.

 

Fig 54-11A

 

·          Daha sonraki bilgiler iki ana bağlayıcı eleman grubunun varlığını ortaya çıkardı:

o       Kalsiyuma bağımlı bağlayıcı gruplar: Cadherin grubu

§         Bilinen en önemli üyesi: N-cadherin

o       Kalsiyumdan bağımsız bağlayıcı gruplar: Ig-benzeri adhezyon molekülleri.

§         Bilinen en önemli üyesi: (neural cell adhesion molecule ) NCAM

o       Her bir grupta şimdiye kadar gösterilmiş 100 kadar protein bulunmaktadır.

 

Fig 54-11B

 

·          Cadherin grubu ve Ig-benzeri adhezyon molekülleri hücreleri sıkıca "yapıştırarak" bir arada tutmaz; zayıf bir bağlanmadan sonra ortaya çıkan sitoplazmik reaksiyonlar bu bağlanmayı güçlendirir.

·          Cadherinlerin sitoplazmik kısmı catenin adı verilen bir protein grubu ile bağlantılıdır, ilk adhezyon gerçekleştikten sonra catenin grubu aktive olarak sitoskeleton organizasyonunu değiştirebilir.

·          Benzer şekilde Ig-benzeri adhezyon molekülleri de, protein tirozin fosfataz veya protein tirozin kinaz gibi katalitik aktivitesi olan enzimlerle bağlantılıdır.

·          Bağlayıcı moleküllerin bu şekilde hücre içindeki moleküller ile bağlantılı olması "outside-in signalling " olarak adlandırılır.

 

Netrin Grubu: Kimyasal Çekiciliği Olan Faktörler

·          Çözünebilir büyüme faktörleri en az iki farklı yolla etki gösterir:

o       Nöronun canlı kalmasını ve diğer faktörlerle yönlendirilen büyümesini sağlar. Trofik faktörlerden en iyi tanınan: Nörotrofinler

o       Kemotaksis oluşturan kimyasal faktörler, nöronu yönlendirir: Tropism.

o       Bazı faktörler hem trofik, hem de tropik olabilir.

§         Genellikle, Trofik faktörler aynı zamanda tropik etki de gösterebilirken, tropik faktörler sadece tek yönlü etki gösterir.

·          Netrinler: Glikoprotein yapısındaki tropik faktörler.

 

Fig 54-12

 

·          Netrinler, etkilerini netrin reseptörleri aracılığıyla gösterir.

o       Kurtçuk, sinek ve omurgalılarda bir bölgenin orta hattındaki hücrelerden salgılanan özgül maddeler netrin reseptörleri üzerinde benzer etiler oluşturarak ventral ya da dorsal yönde büyümeye neden olur: (evolutionary conservation ).

o       Protein kinaz A aktivitesi, netrin yanıtını değiştirici etkiye sahiptir.

 

Fig 54-13

 

Ephrin ve Semaphorin Grubu Proteinler: Büyüme Konisi Üzerinde İnhibitör (Uzaklaştırıcı) Etki

·          Walter et al. (Bonhoeffer 1987), retinanın anterior ve posterior kısımlarından kaynaklanan akson membranlarını optik tektumda şeritler halinde implante ettiler.

·          Posteriordan gelen membranlar sadece anterior şeritler yönünde ilerleyebilirken, anteriordan gelenler her iki şerit boyunca ilerleyebildi; Posterior membranlar üzerinde ephrinin uzaklaştırıcı etkisi.

 

Fig 54-14

 

·          Bu uzaklaştırıcı etki önce (repulsive axon guidance signal ) RAGS olarak adlandırıldı. Daha sonra membran bağlantılı ephrin molekülleri ve eph kinazlar  olarak adlandırılan reseptörleri tanımlandı.

·          Memelide izole edilen ilk inhibitör molekül: Collapsin-1 , daha sonra semaphorin grubu olarak adlandırılmıştır.

o       En az 15 semaphorin tipi izole edilmiştir.

o       Semaphorinin ortamda bulunması büyüme konisinin 10 dakika içinde kollabe olmasına neden olabilir.

o       Büyüme konisi üzerinde semaphorinlere duyarlı iki reseptör grubu gösterilmiştir: Neuropilin ve plexin reseptörleri.

 

Fig 54-15

 

Çözünebilir (Soluble) Faktörler: Çekici veya Uzaklaştırıcı Etkiler

·          Daha önce söz edilen semaphorinler; membrana bağlı inhibitör moleküller.

o       Bazı semaphorinler çözünebilir formda da bulunabilir.

·          Daha önce söz edilen netrinler: Çözünebilir çekici moleküller.

o       Bazı netrinler ise bazı nöronlar üzerinde inhibitör etki yapabilir.

o       Örneğin, medulla spinalisin komissural aksonları üzerinde atraktif etki yapan netrinler, troklear motor aksonlar üzerinde itici/uzaklaştırıcı etki yapabilir.

 

Fig 54-16

 

DEĞİŞİK GRUPLARDAN FARKLI TÜRLERDE MOLEKÜLLER AKSONLARA YOL BOYUNCA REHBERLİK EDEBİLİR

·          Şimdiye kadar tartışıldığı gibi, aksonun büyümesi sırasında bir çok farklı tipte çekici veya itici ya da inhibitör molekül akson için ipuçları oluşturabilir.

·          Daha önce Sperry tarafından göz küresinin değişik açıda yerleştirilmesi ile elde edilen ilk bulgularda daha sonra integrin ve cadherinlerin olaya etki ettiği gösterilmiştir.

·          Bonhoeffer tarafından kullanılan farklı kökenden gelen implantların şeritler halinde yerleştirilmesi (Fig 54-14) deneyi daha sonra özgül attraktor ya da inhibitörlerin gösterilmesi için çok önemli bir araç haline gelmiştir.

·          Sperry ve Bonhoeffer tarafından kullanılan tekniklerin birleştirilmesi iki önemli ligand (ephrin A2 ve ephrin A5) varlığını ortaya çıkarmıştır.

o       Eph A3 (ephrin kinaz); retinada temporal yönde düşükten yükseğe doğru bir konsantrasyon gradyanında bulunan ve her ikisini ephrin ligandını da bağlayabilen reseptör türü.

o       Ephrin A2 ve A5 de optik tektumda benzeri bir temporal topografi gösterir.

o       Eph A3 fakir bölgeden kaynaklanan aksonlar Ephrin A2 ve A5 zengin bölgeye ulaşırken, Eph A3 zengin bölgeden kaynaklanan aksonlar Ephrin A2 ve A5 fakir bölgeye ulaşır.

o       Ephrin A2 aşırı ekspresyonunda akson dağılımında anormallik ortaya çıkabilir.

o       Ephrin A5 mutant farede ise aksonlar normal olmayan mesafelere ulaşabilir.

 

Fig 54-17

 

·          Sonuç:

o       Optik tektumda integrin, cadherin ve ephrinlerin topografiyi nasıl etkilediği gösterilmişse de, olasılıkla daha bir çok molekül işleve uygun yapının oluşabilmesi için eşzamanlı olarak işe karışmaktadır.

o       Nöronların kusursuz işlev görebilmesi için doğru yerde doğru bağlantılar yapması çok önemli; bunun gerçekleşmesi için akson yönlendirmesi çok titizlikle düzenlenmekte

o       Bu düzenleme rastgele değil, moleküler ipuçlarından yararlanarak yapılmakta

o       Aksonun büyüme konisi bu ipuçlarını değerlendiren en önemli bölge.

o       Moleküler biyolojik gelişmelerdeki hızlanma ile moleküler ipuçları hızla anlaşılmaya başlandı. Bu durum yakın gelecekte bir çok nörolojik hastalığın çözümüne ışık tutabilir.