The Embryo Project Encyclopedia

Früh im Entwicklungsprozess entwickeln sich Wirbeltierembryonen auf der Neuralplatte, wo sich die neuralen und epidermalen Ektoderme treffen, der so genannten Neural Crest. Die Neuralleiste produziert Neuralleistenzellen (NCCs), die sich im Laufe der Entwicklung des Embryos zu verschiedenen Zelltypen entwickeln und zu Geweben und Organen beitragen. Zu den Organen und Geweben gehören unter anderem periphere und enterische (gastrointestinale) Neuronen und Glia, Pigmentzellen, Knorpel und Knochen des Schädels und des Gesichts sowie glatte Muskeln. Die Vielfalt der NCCs, die die Neuralleiste hervorbringt, hat Forscher dazu veranlasst, die Neuralleiste als vierte Keimschicht oder als eine der primären zellulären Strukturen im frühen Embryo vorzuschlagen, aus der alle erwachsenen Gewebe und Organe entstehen. Darüber hinaus untersuchen Evolutionsbiologen die Neuralleiste, weil sie ein neues gemeinsames evolutionäres Merkmal (Synapomorphie) aller Wirbeltiere ist.

Obwohl die Neuralleiste im Embryo zum ersten Mal während der Gastrulation auftaucht, dem Einstülpungs- und Ausbreitungsprozess, durch den die Ablastula zur Gastrula wird, wird sie während des Neurulastadiums unterscheidbar. Das Neurulastadium tritt ein, wenn sich die Neuralplatte faltet und in das Neuralrohr umwandelt, die Struktur, aus der sich schließlich das zentrale Nervensystem entwickelt. Die Neuralleiste entsteht an zwei Übergängen, einem auf jeder Seite der Mittellinie der Neuralplatte, zwischen neuralem und nicht-neuralem Ektoderm. Wenn die Neurulation fortschreitet und sich das Neuralrohr bildet, treffen sich die beiden Übergänge an der Spitze des Neuralrohrs. Dann trennt sich die Neuralleiste vom Neuralrohr, ein Prozess, der als Delamination bezeichnet wird, und wandert anschließend vom Neuralrohr weg.

Einige Forscher argumentieren, dass die Interaktion zwischen dem neuralen und dem epidermalen Ektoderm die Entstehung der Neuralleiste stimuliert. Die meisten Wissenschaftler betrachten jedoch das neurale Ektoderm als den Vorläufer der Zellen der Neuralleiste, da die Neuralleiste Neuronen und Ganglien hervorbringt, wobei letztere Bündel von Neuronen sind, die an der Peripherie des Nervensystems, außerhalb des Gehirns und des Rückenmarks, liegen.

Außerdem wurden die Zellen der Neuralleiste durch Schicksalskartierung dem neuralen Ektoderm zugeordnet. Die Forscher haben die NCCs wegen der Vielfalt der Zelltypen untersucht, die aus der Neuralleiste hervorgehen. So sind NCCs ein nützliches Modell für die Untersuchung von Stammzellen, da sie wie Stammzellen das Potenzial haben, sich in eine Vielzahl von Zelltypen zu differenzieren.

Diese Grafik zeigt, wie sich Neuralleistenzellen in verschiedenen Wirbeltierarten bilden und wandern.

Nach der Bildung des Neuralrohrs differenzieren sich die Neuralleistenzellen (NCCs) in kardiale NCCs (CarNCCs), Rumpf-NCCs (tNCCs), kraniale NCCs (cNCCs) oder vagale und sakrale NCCs. Bei der Differenzierung werden die NCCs unterschiedlichen chemischen Umgebungen ausgesetzt, was letztlich zu ihrer Entwicklung zu verschiedenen Zelltypen und Geweben führt. Zunächst wandern die vagalen und sakralen NCCs vom Stamm des Neuralrohrs weg durch locker gepackte Zellen, das so genannte Mesenchym, das sich zwischen Neuralrohr, Epidermis und Somiten des Mesoderms befindet. Diese Zellen werden zu den gastrointestinalen enterischen Ganglien und den parasympathischen Ganglien des Halses. Einige tNCCs wandern über eine Nebenbahn, die dorsolateral in das Ektoderm und schließlich zur Mittellinie des Bauches wandert, zu Pigmentzellen. Andere tNCCs wandern nach lateral und werden schließlich Teil des sich entwickelnden Gehirns, insbesondere sensorische und sympathische Neuronen, Schwann-Zellen und adrenomedulläre Zellen. cNCCs entwickeln sich auch zu Pigmentzellen, Neuronen und Glia, aber dies sind die einzigen NCCs, die zum Knorpel und Knochen des Gesichts und des Schädels beitragen. cNCCs sind für die Entwicklung des Knorpels und Bindegewebes im Gesicht sowie der Schilddrüsen verantwortlich. CarNCCs wandern im hinteren Bereich der Neuralrinde nach dorsolateral und bilden das Septum der Lungenarterie und der Aorta sowie das Endothel in den Aortenbogenarterien.

Forscher untersuchten die Neuralleiste in der Mitte des neunzehnten Jahrhunderts. 1868 identifizierte der Basler Embryologe Wilhelm His bei der Untersuchung von Küken- oder Gallus-gallus-Embryonen eine Zellschicht oberhalb des Neuralrohrs als Vorläufer der Spinal- und Hirnganglien. Er nannte sie den Zwischenstrang (intermediate cord). Im Jahr 1874 nannte er sie eine organbildende Keimregion. Was er jedoch identifizierte, war nicht die Neuralleiste, sondern eine Untergruppe der NCCs, die von der Neuralleiste in eine Position oberhalb des Neuralrohrs eingewandert waren.Historiker führen die erste Verwendung des Begriffs Neuralleiste auf eine 1879 veröffentlichte Arbeit von Arthur Marshall, einem Professor am Owens College in Manchester, England, zurück. Während er 1878 ebenfalls Kükenembryonen untersuchte, verwendete er den Begriff Neuralleiste, um dieselben Zellen zu beschreiben, die er oberhalb des Neuralrohrs entdeckt hatte, revidierte aber später seine Definition. Marshall prägte den Begriff Neuralleiste, um die beiden Übergänge zwischen dem neuralen und dem epidermalen Ektoderm zu beschreiben, die entstehen, bevor das Neuralrohr vollständig ist. Er verkündete, dass der Begriff Neuralleiste fortan nur noch verwendet werden sollte, um das Band von Zellen zu bezeichnen, das aus der Neuralleiste entsteht und nach Abschluss der Neurulation über das Neuralrohr wandert.

1893 identifizierte Julia Platt NCCs aus dem Sektoderm als die Vorläufer des Knorpels im Gesicht und in den Kehlkopfskeletten der Zähne von Schlammpuppen (Necturusmaculosus). Viele Forscher lehnten Platts Interpretation ab, unter anderem deshalb, weil die Keimschichten-Theorie, die sich damals hartnäckig hielt, behauptete, dass sich jede der drei Keimschichten bei vielen Arten von Organismen zu den gleichen Arten von Strukturen entwickelte. Die Forscher behaupteten, dass Platts Theorie der Neuralrinde und damit des aus dem Ektoderm stammenden Rachenbogenskeletts nicht möglich sei, da das Skelettgewebe ausschließlich aus dem Mesoderm stamme. 40 Jahre später, in den 1920er und 1930er Jahren, bestätigten die Forscher Platts Schlussfolgerung. In den 1950er Jahren begannen Forscher, Skelettgewebe, die sich aus der Neuralleiste entwickelten, weiter zu untersuchen.

1950 veröffentlichte Sven Hörstadius The Neural Crest: Its Properties and Derivatives inthe Light of Experimental Research. In dieser Monographie, die auf Vorlesungen an der University of London in London, England, basierte, gab er einen Überblick über Experimente zur Neuralleiste. In seine Untersuchung flossen Daten aus über zweihundertfünfzig Arbeiten ein. Hörstadius‘ Arbeit bezog sich auf Experimente, die die Schlussfolgerungen von Platt bestätigten, und festigte die Neuralleiste als einen Bereich der biologischen Forschung.

In den 1960er Jahren untersuchten Neuralleistenforscher, wie die Stamm- und Schädelneuralleisten wandern und zu anderen Geweben führen. 1963 veröffentlichte James Weston von der Yale University in New Haven, Connecticut, „A Radioautographic Analysis of the Migration andLocalization of Trunk Neural Crest Cells in the Chick“. In diesem Artikel vertrat Weston die Ansicht, dass die Melanoblasten des Integumentes von der Neuralleiste zum Ektoderm wandern. 1966 veröffentlichte Malcolm Johnston von der University of Rochester in Rochester, New York, eine ähnliche Studie über cNCC mit dem Titel „A Radioautographic Study of the Migration and Fate of CranialNeural Crest Cells in the Chick Embryo“ (Eine radioautografische Studie über die Migration und das Schicksal von Schädelneuralleistenzellen im Kükenembryo), in der er den Endpunkt mehrerer NCCs verfolgte und beispielsweise feststellte, dass sich einige von ihnen in Bindegewebe im Gesicht verwandelten. In den 1960er Jahren begannen die Forscher, Vogelembryonen anstelle der bis dahin verwendeten Amphibienembryonen zu verwenden.

In den 1970er Jahren erstellten die Forscher Karten, die die Bewegungen der NCCs aufzeichneten.

Die Forscher entdeckten, dass die unterschiedlichen chemischen Umgebungen, in denen die NCCs entstanden, dazu führten, dass sie sich in verschiedene Arten von Zellen differenzierten und durch den Embryo wanderten. In den 1980er Jahren entdeckten Forscher die Hox-Gene, Gene, die dazu beitragen, dass sich der Embryo entsprechend den Hauptachsen des Körpers entwickelt. Diese Gene steuern die Migrationsmuster der Zellen. Die Entdeckung der Hox-Gene ermöglichte es den Forschern, die molekularen Ursachen für die unterschiedlichen Migrationsmuster der NCCs zu ergründen, was zu einer weiteren Unterteilung der NCCs führte. Zu diesen Klassifizierungen gehören die vagalen und sakralen NCCs, die zu den Darmganglien und Neuronen des parasympathischen Nervensystems beitragen. Die Forscher entdeckten auch, dass die kardialen NCCs zu den Geweben des sich entwickelnden Herzens beitragen.

In den 1980er und 1990er Jahren verglichen Forscher die Entwicklung der Neuralleiste in verschiedenen Taxa, um Hypothesen über die evolutionäre Abstammung zu testen. Zum Beispiel begannen Biologen zu argumentieren, dass Wirbeltiere ihre charakteristischen Herzen und Köpfe erst entwickelt haben, nachdem ihre Vorfahren sich zu Neuralleisten entwickelt hatten. Eine davon ist Carl Gans‘ und Glen Northcutts „NeuralCrest and the Origin of Vertebrates: a New Head“ (Neuralleiste und Ursprung der Wirbeltiere: ein neuer Kopf), das 1983 veröffentlicht wurde, als die beiden an der Universität von Michigan in Ann Arbor, Michigan, arbeiteten. Darin argumentieren Gans und Northcutt, dass Wirbeltiere erst nach einem Wechsel von passiven zu aktiven Raubtierarten zu Wirbeltieren wurden, wobei sich viele Wirbeltiermerkmale im Kopf konzentrierten.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts begannen Forscher zu argumentieren, dass es sich bei der Neuralleiste um eine Keimschicht handelt. Zuvor hatten Forscher drei Keimschichten anerkannt: das Ektoderm, das Mesoderm und das Endoderm. Im Jahr 1999 veröffentlichte Brian Hall von der Dalhousie University in Nova Scotia, Kanada, das Buch The Neural Crest And Neural CrestCells In Vertebrate Development And Evolution, in dem er argumentierte, dass die Neuralleiste die Anforderungen an eine Keimschicht erfüllt. Erstens behauptet er, dass Keimschichten als primäre Gewebe definiert sind, aus denen sich ein Embryo entwickelt. Hall stellt fest, dass es zwei Arten von Keimschichten gibt: primäre und sekundäre. Die primären Keimschichten, das Ektoderm und das Endoderm, erscheinen im sich entwickelnden Wirbeltierembryo zuerst, noch vor der Befruchtung. Einige Tiere, die Wissenschaftler als diploblastisch bezeichnen, haben nur diese beiden Keimschichten. Zu dieser Gruppe gehören Organismen wie Quallen und Schwämme. Triploblastische Tiere hingegen haben eine dritte Keimschicht, das Mesoderm, das sich bei Tieren entwickelt hat, deren Vorfahren Diploblasten waren. Diese als Triploblasten bezeichneten Tiere gehören ebenfalls zur Gruppe der Bilateria, zu der auch die Plattwürmer und der Mensch gehören, die alle eine primäre Symmetrieachse in der Körpermitte vom Kopf bis zum Schwanz haben.

Das Mesoderm wird von den Forschern als sekundäre Keimschicht betrachtet, da es aus den Wechselwirkungen der ersten beiden Keimschichten hervorgeht. Hall argumentiert, dass die Neuralleiste wie das Mesoderm eine sekundäre Keimschicht ist. Ähnlich wie das Mesoderm entstehe die Neuralleiste früh in der Entwicklung aus den Wechselwirkungen in einer primären Keimschicht, dem Ektoderm. Außerdem trägt sie zu einer großen Anzahl von Geweben und Organen bei. Außerdem ist die Neuralleiste eine Synapomorphie der Wirbeltiere, so wie das Mesoderm eine Synapomorphie der Bilateralen ist. Hall behauptet, dass die Neuralleiste nach der Entwicklung der Tripoblasten entstanden ist. Daher argumentiert er, dass die später entstandenen Tiere, die Wirbeltiere, als tetrablastisch bezeichnet werden sollten, was vier Schichten bedeutet. Hall argumentiert, dass die Neuralleiste, weil sie früh in der Entwicklung auftritt, weil sie ektodermalen Ursprungs ist und weil sie eine Synapomorphie der Wirbeltiere ist, als sekundäre Keimschicht betrachtet werden sollte.

In den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts führten Forscher Gesichts-, Pigment-, Herz-, Seh- und Höranomalien, einschließlich Gaumenspalten und Albinismus, auf eine abnorme Entwicklung der Neuralleiste und der NCCs zurück. Die Forscher erörterten auch die Eigenschaften der Mechanismen, durch die die NCCs wandern. Darüber hinaus haben Krebsforscher die Neuralleiste aufgrund der Ähnlichkeit zwischen NCCs und Krebszellen untersucht. Die Mechanismen, durch die NCCs während der Entwicklung wandern, die spezifischen Signalwege und Transkriptionsfaktoren, die von NCCs verwendet werden, sind die gleichen wie bei Krebszellen, was NCCs zu einem Modell für die Untersuchung der Vermehrung von Krebszellen macht.