The Embryo Project Encyclopedia

Frigt i udviklingsprocessen udvikler hvirveldyrsembryoer sig på den neurale plade, hvor den neurale og epidermale ektoderm mødes, kaldet neural crest. Den neurale kam producerer neurale kamceller (NCC’er), som bliver til flere forskellige celletyper og bidrager til væv og organer, efterhånden som et embryo udvikler sig. Nogle af disse organer og væv omfatter perifere og enteriske (gastrointestinale) neuroner og gliaceller, pigmentceller, kraniets og ansigtets brusk og knogler samt glatte muskler. Den mangfoldighed af NCC’er, som neuralkammen producerer, har fået forskere til at foreslå neuralkammen som et fjerde kimlag eller en af de primære cellestrukturer i tidlige embryoner, hvorfra alle voksne væv og organer opstår. Desuden studerer evolutionsbiologer neuralkammen, fordi den er en ny fælles evolutionær egenskab (synapomorfi) for alle hvirveldyr.

Selv om neuralkammen først optræder i embryoet undergastrulation, den invagination og spredningsproces, hvorved ablastula bliver til gastrula, bliver den synlig i løbet af neurula-stadiet. Neurula-stadiet i udviklingen indtræffer, når neuralpladen foldes og forvandles til neuralrøret, den struktur, der i sidste ende vil udvikle sig til centralnervesystemet. Neuralpladen opstår ved to krydsninger, en på hver side af midtlinjen af den neurale plade, mellem neurale og ikke-neurale ektodermer. Efterhånden som neurulationen skrider frem, og neuralrøret dannes, mødes de to krydsninger i toppen af neuralrøret. Derefter adskiller neuralrøret sig fra neurorøret, en proces, der kaldes delaminering, og vandrer derefter væk fra neurorøret.

Nogle forskere hævder, at interaktionen mellem den neurale og epidermale ektoderm stimulerer dannelsen af neuralrøret. De fleste forskere behandler dog det neurale ektoderm som stamfaderen til neurale crestceller, da den neurale crest giver anledning til neuroner og ganglier, hvoraf sidstnævnte er bundter af neuroner, der ligger i nervesystemets periferi, uden for hjernen og rygmarven.Endvidere har skæbnekortlægning af neurale crestceller også placeret dem i det neurale ektoderm. Forskere har studeret NCC’er på grund af den mangfoldighed af celletyper, som neural crest giver anledning til. NCC’er er f.eks. en nyttig model til undersøgelse af stamceller, fordi de ligesom stamceller har potentiale til at differentiere sig til et bredt antal celletyper.

Denne grafik viser, hvordan neuralkamceller dannes og vandrer i forskellige typer hvirveldyr.

Når neuralrøret er dannet, differentierer neuralkamcellerne (NCC’erne) sig til kardiale NCC’er (CarNCC’er), trunk NCC’er (tNCC’er), craniale NCC’er (cNCC’er) eller vagale og sakrale NCC’er. Ved differentieringen udsættes NCC’erne for forskellige kemiske miljøer, hvilket i sidste ende resulterer i, at de udvikler sig til forskellige celletyper og væv. Først vandrer de vagale og sakrale NCC’er væk fra neuralrørets stamme gennem løst pakkede celler, kaldet mesenchym, der befinder sig mellem neuralrøret, epidermis og somitterne i mesodermen. Disse celler bliver til gastrointestinale enteriske ganglier og de parasympatiske ganglier i nakken. Nogle tNCC’er migrerer gennem en undervej, der går dorsolateralt ind i ektodermen og til sidst til bugens midterlinje, til pigmentceller. Andre tNCC’er vandrer lateralt og bliver til sidst en del af hjernen under udvikling, især sensoriske og sympatiske neuroner, Schwann-celler og adrenomedullære celler. cNCC’er udvikler sig også til pigmentceller, neuroner og gliaceller, men det er de eneste NCC’er, der bidrager til brusk og knogle i ansigtet og kraniet. cNCC’er er ansvarlige for udviklingen af brusk og bindevæv i ansigtet samt skjoldbruskkirtlerne. CarNCC’er, der befinder sig i den bageste del af neuralcrest, migrerer dorsolateralt og danner septum i lungearterien og aorta samt endothelet i aortaarterierne.

Forskere studerede neuralkammen i midten af det 19. århundrede. I 1868 identificerede Wilhelm His, en embryolog i Basel, Schweiz, der studerede kyllinge- eller Gallus gallus-embryoner, et lag af celler over neuralrøret som stamcellerne til rygmarvs- og kranieganglier. Han kaldte det for Zwischenstrang (mellemstrengen). I 1874 kaldte han det en organdannende germinal region. Det, han identificerede, var imidlertid ikke neuralkammen, men en undergruppe af NCC’er, der var vandret fra neuralkammen til en position over neuralrøret.Historikere sporer den første brug af udtrykket neuralkam til en artikel offentliggjort i 1879 af Arthur Marshall, en professor ved OwensCollege i Manchester, England. I 1878, da han også studerede kyllingeembryoner, brugte han udtrykket neuralkam til at beskrive de samme celler, som han havde opdaget over neuralrøret, men han reviderede senere sin definition. Marshall opfandt udtrykket neuralkam til at beskrive de to samlinger mellem neural- og epidermal ektoderm, der opstår, før neuralrøret er færdigt. Han proklamerede, at udtrykket neuralkam fremover kun skulle bruges til at identificere det bånd af celler, der udgår fra neuralkammen, og som vandrer over neuralrøret, når neuraleurulationen er afsluttet.

I 1893 identificerede Julia Platt NCC’er fraectoderm som forfædre til brusk i ansigtet og i svælgbue-skeletterne af tænderne hos mudderhvalpe (Necturusmaculosus). Hun forskede på flere institutioner i slutningen af det 19. århundrede, bl.a. på Marine Biological Laboratory i WoodsHole, Massachusetts, og universitetet i Freiburg i Freiburg, Tyskland. mange forskere afviste Platt’s fortolkning, bl.a. fordi GermLayer Theory, som dengang var en fasttømret teori, hævdede, at hvert af de tre kimlag udviklede sig til de samme slags strukturer på tværs af mange slags organismer. Forskere hævdede, at Platt’s teori om neuralcrest, og dermed ektoderm-afledte, svælgbue-skeletter, var umulig, fordi skeletvæv udelukkende stammede fra mesodermen. 40 år senere, i 1920’erne og 1930’erne, bekræftede forskere Platt’s konklusion. I 1950’erne begyndte forskerne yderligere at studere de skeletvæv, der udviklede sig fra neuralkammen.

I 1950 udgav SvenHörstadius The Neural Crest: Dens egenskaber og derivater i lyset af eksperimentel forskning. I denne monografi, som Hörstadius baserede på forelæsninger holdt på University of London i London, England, gennemgik han eksperimenterne med neuralrysten. I sin gennemgang kombinerede han data fra over 250 artikler. Hörstadius’ arbejde henviste til eksperimenter, der bekræftede Platt’s konklusioner, og det gjorde neuralskallen til et område for biologisk forskning.

I 1960’erne undersøgte forskerne i neuralrysten, hvordan stamme- og kranie-NCC’erne vandrer og giver anledning til andre væv. I 1963 udgav James Weston fra Yale University i New Haven, Connecticut, “A Radioautographic Analysis of the Migration andLocalization of Trunk Neural Crest Cells in the Chick”. I denne artikel argumenterede Weston for, at integumentale melanoblaster migrerede fra neuralcrest til ektodermen. I 1966 offentliggjorde Malcolm Johnston fra University of Rochester i Rochester, New York, en lignende undersøgelse af cNCC med titlen “A Radioautographic Study of the Migration and Fate of CranialNeural Crest Cells in the Chick Embryo”, hvori han sporede slutpunktet for flere NCC’er og f.eks. fandt, at nogle blev til bindevæv i ansigtet. I løbet af 1960’erne begyndte forskerne at bruge fugleembryoner i stedet for de tidligere anvendte amfibieembryoner.

Forskere i 1970’erne udarbejdede kort, der beskrev NCC’ernes bevægelser.Forskerne opdagede, at de forskellige kemiske miljøer, som NCC’erne opstod i, fik dem til at differentiere sig til forskellige slags celler og rejse rundt i embryonerne. De identificerede også abnormiteter i organismer, der skyldes fejl i udviklingen af neuralkammen, kaldet neurokristopatier.

I 1980’erne opdagede forskerne Hox-gener, som er gener, der hjælper med at få embryonet til at udvikle sig i overensstemmelse med de vigtigste kropsakser. Disse gener styrer cellernes vandringsmønstre. Opdagelsen af Hox-generne gjorde det muligt for forskerne at spore den molekylære årsag til de forskellige migrationsmønstre hos NCC’er, hvilket førte til yderligere underopdelinger i klassifikationen af NCC’er. Disse klassifikationer omfatter de vagale og sakrale NCC’er, der bidrager til de enteriske ganglier og neuroner i det parasympatiske nervesystem. Forskere opdagede også, at hjertets NCC’er bidrog til væv i hjertet under udvikling.

I løbet af 1980’erne og 1990’erne sammenlignede forskerne udviklingen af neuralkammen på tværs af taxa for at teste hypoteser om evolutionær forfædre. For eksempel begyndte biologer at hævde, at hvirveldyrene først udviklede deres karakteristiske hjerter og hoveder, efter at deres forfædre havde udviklet sig til at have neurale kamme. Dette resulterede i mange publikationer, hvoraf en af dem er Carl Gans og Glen Northcutt’s “NeuralCrest and the Origin of Vertebrates: a New Head”, der blev offentliggjort i 1983, mens de to arbejdede ved University of Michigan i Ann Arbor, Michigan. I denne artikel hævder Gans og Northcutt, at hvirveldyrene blev hvirveldyr efter et skift fra passive til aktive former for rovdrift, hvilket koncentrerede mange af hvirveldyrenes kendetegn i hovedet.

Forskere begyndte at argumentere for, at den neurale kam er et kimlag ved begyndelsen af det 21. århundrede.Tidligere anerkendte forskerne tre kimlag: ektoderm, mesoderm og endoderm. I 1999 udgav Brian Hall fra Dalhousie University i Nova Scotia, Canada, bogen The Neural Crest And Neural CrestCells In Vertebrate Development And Evolution, hvori han argumenterede for, at neuralkammen opfylder kravene til at være et kimlag. For det første hævder han, at kimlagene defineres som primære væv, hvorfra et embryo udvikles. Hall bemærker, at der findes to typer kimlag, nemlig primære og sekundære. De primære kimlag, ektoderm og endoderm, optræder først i hvirveldyrsembryoet under udvikling, før befrugtningen. Nogle dyr, som forskerne kalder diploblastiske, har kun disse to kimlag. Denne gruppe omfatter organismer som f.eks. vandmænd og svampe. Tripoblastiske dyr har derimod et tredje kimlag, kaldet mesoderm, som har udviklet sig hos dyr, hvis forfædre var diploblaster. Disse dyr, kaldet triploblaster, tilhører også en gruppe kaldet bilateria, som omfatter flade orme og mennesker, der alle har en primær symmetriakse ned gennem midten af kroppen fra hoved til hale.

Forskere betragter mesodermen som et sekundært kimlag, fordi den opstår i samspil med de to første kimlag. Hall hævder, at neural crest ligesom mesoderm er et sekundært kimlag. Han siger, at neuralkammen ligesom mesodermen opstår tidligt i udviklingen på grund af interaktioner i et primært kimlag, ektodermen. Den bidrager også til et stort antal væv og organer. Desuden er neuralresen en synapomorfi hos hvirveldyr, ligesom mesodermen er en synapomorfi hos bilaterale dyr. Hall hævder, at neuralkammen opstår efter udviklingen af tripoblasterne. Han hævder derfor, at de dyr, der kom efterfølgende, hvirveldyrene, bør kaldes tetrablastiske, hvilket betyder fire lag. Hall hævder, at fordi neuralkammen optræder tidligt i udviklingen, fordi den er ektodermal af oprindelse, og fordi den er en synapomorfi hos hvirveldyrene, bør den betragtes som et sekundært kimlag.

I de første årtier af det 20. århundrede sporede forskere ansigts-, pigment-, hjerte-, syns- og høreanomalier, herunder ganespalte og albinisme, til en unormal udvikling af neuralskallen og NCC’erne. Forskerne diskuterede også egenskaberne ved de temamekanismer, hvormed NCC’erne migrerer. Desuden har kræftforskere undersøgt neuralkammen på grund af ligheden mellem NCC’er og kræftceller. De mekanismer, hvormed NCC’er migrerer under udviklingen, de specifikke signalveje og transkriptionsfaktorer, der anvendes af NCC’er, er de samme som kræftceller, hvilket gør NCC’er til en model til undersøgelse af, hvordan kræftceller formerer sig.