The Embryo Project Encyclopedia

Varhaisessa kehitysvaiheessa selkärankaisten alkiot kehittyvät hermolevyllä, jossa neuraalinen ja epidermaalinen ektodermi kohtaavat, jota kutsutaan neuraaliseksi harjaksi. Neuraaliharju tuottaa neuraaliharjun soluja (NCC), joista tulee useita eri solutyyppejä ja jotka osallistuvat alkion kehittyessä kudoksiin ja elimiin. Muutamia elimiä ja kudoksia ovat muun muassa perifeeriset ja suoliston hermosolut ja solukalvot, pigmenttisolut, kallon ja kasvojen rusto ja luusto sekä sileä lihas. Neuraaliharjun tuottamien NCC-solujen monimuotoisuus on saanut tutkijat ehdottamaan, että neuraaliharju olisi neljäs sukukerros tai yksi varhaisen alkion ensisijaisista solurakenteista, joista kaikki aikuisen kudokset ja elimet syntyvät. Lisäksi evoluutiobiologit tutkivat hermorataa, koska se on kaikkien selkärankaisten uusi yhteinen evolutiivinen luonteenpiirre (synapomorfia).

Vaikka hermorata ilmestyy alkiossa ensimmäisen kerran gastrulaation aikana, jolloin ablastula muuttuu gastrulaatioksi, se alkaa erottua jo gastrulaatiovaiheessa. Neurula-vaiheessa neuraalilevy taittuu ja muuttuu hermostoputkeksi, rakenteeksi, josta lopulta kehittyy keskushermosto. Neuralcrest syntyy kahdesta liitoskohdasta, yksi kummallakin puolella hermolevyn keskiviivaa, neuraalisen ja ei-neuraalisen ektodermin välillä. Neurulaation edetessä ja hermostoputken muodostuessa nämä kaksi liitoskohtaa kohtaavat hermostoputken yläosassa. Tämän jälkeen hermorusto irtoaa hermoputkesta, mitä kutsutaan delaminaatioksi, ja vaeltaa sen jälkeen poispäin hermoputkesta.

Joidenkin tutkijoiden mukaan hermo- ja epidermaalisen ektodermin välinen vuorovaikutus stimuloi hermoruston syntyä. Useimmat tutkijat pitävät kuitenkin neuraalista ektodermiä neuraaliharsosolujen esiasteena, koska neuraaliharso synnyttää neuroneja ja ganglioita, joista jälkimmäiset ovat hermoston periferiassa, aivojen ja selkäytimen ulkopuolella sijaitsevia hermosolukimppuja.Lisäksi neuraaliharsosolujen kohtalonkartoitus on myös sijoittanut neuraaliharsosolut neuraaliseen ektodermiin. Tutkijat ovat tutkineet NCC-soluja, koska neural crest synnyttää monenlaisia solutyyppejä. NCC:t ovat esimerkiksi hyödyllinen malli kantasolujen tutkimiseen, koska kantasolujen tavoin ne voivat erilaistua moniksi erilaisiksi solutyypeiksi.

Tässä kuviossa esitetään, miten hermorunkosolut muodostuvat ja vaeltavat eri selkärankaisten eläimissä.

Kun hermoputki on muodostunut, hermorunkosolut (NCC) erilaistuvat sydämen NCC-soluiksi (CarNCC-solut), vartalon NCC-soluiksi (tNCC-solut), kallon NCC-soluiksi (cNCC-solut) tai vagaalisiksi ja sakraalisiksi NCC-soluiksi. Erilaistuminen altistaa NCC:t erilaisille kemiallisille ympäristöille, mikä lopulta johtaa niiden kehittymiseen erilaisiksi solutyypeiksi ja kudoksiksi. Ensin vagaaliset ja sakraaliset NCC:t vaeltavat pois hermostoputken rungosta mesodermin hermostoputken, epidermiksen ja somiittien välissä olevien löyhästi pakkautuneiden solujen, mesenkyymin, kautta. Näistä soluista muodostuu ruoansulatuskanavan suolistoperäisiä ganglioita ja kaulan parasympaattisia ganglioita. Jotkut tNCC-solut vaeltavat yhtä alareittiä pitkin, joka kulkee dorsolateraalisesti ektodermiin ja lopulta vatsan keskiviivalle pigmenttisoluiksi. Toiset tNCC:t vaeltavat sivusuunnassa, ja niistä tulee lopulta osa kehittyviä aivoja, erityisesti sensorisia ja sympaattisia hermosoluja, Schwannin soluja ja lisämunuaissoluja. cNCC:t kehittyvät myös pigmenttisoluiksi, hermosoluiksi ja solukalvoiksi, mutta nämä ovat ainoat tNCC:t, jotka osallistuvat kasvojen ja kallon rusto- ja luukudokseen. cNCC:t huolehtivat kasvojen ruston ja sidekudoksen sekä kilpirauhasten kehittymisestä. CarNCC:t, jotka sijaitsevat neuralcrestin takaosassa, vaeltavat dorsolateraalisesti ja muodostavat keuhkoverisuonen ja aortan väliseinän sekä aortan kaarivaltimoiden endoteelin.

Tutkijat tutkivat hermorataa 1800-luvun puolivälissä. Vuonna 1868 Baselissa Sveitsissä toimiva alkiontutkija Wilhelm His, joka tutki kanan eli Gallus gallus -lajin alkioita, tunnisti hermostoputken yläpuolella olevan solukerroksen selkäydin- ja kraniaaliganglioiden kantaisiksi soluiksi. Hän kutsui sitä Zwischenstrangiksi (välijohtimeksi). Vuonna 1874 hän nimesi sen elimiä muodostavaksi itualueeksi. Hän ei kuitenkaan tunnistanut neuraalihaaraketta, vaan neuraalihaarakkeen osajoukon, joka oli siirtynyt neuraalihaarakkeesta neuraaliputken yläpuolelle.Historiantutkijat jäljittävät termin ”neuraalihaarake” ensimmäisen kerran käytetyksi vuonna 1879 julkaistussa artikkelissa, jonka kirjoitti Manchesterissa Englannissa sijaitsevan OwensCollegen professori Arthur Marshall. Hän käytti vuonna 1878, kun hän myös tutki poikasen alkioita, termiä neural ridge kuvaamaan samoja soluja, jotka hän oli havainnut hermostoputken yläpuolella, mutta hän tarkisti myöhemmin määritelmäänsä. Marshall keksi termin neural crest kuvaamaan kahta neuraalisen ja epidermisen ektodermin välistä liitosta, jotka syntyvät ennen kuin neuraaliputki on valmis. Hän julisti, että tästä lähtien termiä hermoharju tulisi käyttää vain yksilöimään neuraaliharjusta nousevien solujen kaistaleen, joka vaeltaa hermoputken yläpuolelle, kun neurulaatio on päättynyt.

Vuonna 1893 Julia Platt tunnisti ektodermista peräisin olevat NCC:t ruston esiasteiksi kasvojen ja nielun kaaren luurangoissa mutapentujen (Necturusmaculosus) hampaiden luurangoissa. Monet tutkijat hylkäsivät Plattin tulkinnan; osittain siksi, että GermLayer Theory, tuolloin vakiintunut teoria, väitti, että kukin kolmesta itiökerroksesta kehittyi samantyyppisiksi rakenteiksi monissa eri organismilajeissa. Tutkijat väittivät, että Plattin teoria hermosolukerroksesta ja siten ektodermistä peräisin olevasta nielukaaren luurangosta oli mahdoton, koska luurankokudokset olivat peräisin yksinomaan mesodermistä.Neljäkymmentä vuotta myöhemmin, 1920- ja 1930-luvuilla, tutkijat vahvistivat Plattin päätelmän. 1950-luvulla tutkijat alkoivat tutkia tarkemmin hermorungosta kehittyneitä luustokudoksia.

Vuonna 1950 SvenHörstadius julkaisi teoksen The Neural Crest: Its Properties and Derivatives inthe Light of Experimental Research. Tässä monografiassa, joka perustui Lontoon yliopistossa Lontoossa, Englannissa pidettyihin luentoihin, Hörstadius tarkasteli hermorunkoa koskevia kokeita. Hänen katsauksessaan yhdistettiin tietoja yli kahdestasadastaviidestäkymmenestä tutkimuksesta. Hörstadiuksen työ viittasi kokeisiin, jotka vahvistivat Plattin johtopäätökset, ja se vakiinnutti hermoruston biologisena tutkimusalueena.

1960-luvulla neural crest -tutkijat tutkivat, miten vartalon ja kallon NCC:t vaeltavat ja synnyttävät muita kudoksia. Vuonna 1963 James Weston Yalen yliopistossa New Havenissa, Connecticutissa, julkaisi artikkelin ”A Radioautographic Analysis of the Migration andLocalization of Trunk Neural Crest Cells in the Chick”. Kyseisessä artikkelissa Weston väitti, että integumentaaliset melanoblastit vaelsivat hermorungosta ektodermiin. Vuonna 1966 Malcolm Johnston Rochesterissa, New Yorkissa sijaitsevasta Rochesterin yliopistosta julkaisi vastaavanlaisen cNCC:tä koskevan tutkimuksen nimeltä ”A Radioautographic Study of the Migration and Fate of CranialNeural Crest Cells in the Chick Embryo”, jossa hän jäljitti useampien NCC:iden päätepistettä ja havaitsi esimerkiksi, että osa niistä muuttui kasvojen sidekudokseksi. 1960-luvulla tutkijat alkoivat käyttää lintujen alkioita aiemmin käytettyjen sammakkoeläinten alkioiden sijasta.

1970-luvun tutkijat laativat karttoja, jotka kuvasivat NCC:iden liikkeitä.Tutkijat havaitsivat, että erilaiset kemialliset ympäristöt, joissa NCC:t syntyivät, aiheuttivat sen, että ne erilaistuivat erilaisiksi soluiksi ja kulkivat läpi alkion. He myös tunnistivat organismeissa poikkeavuuksia, jotka johtuvat hermoruston kehityshäiriöistä, joita kutsutaan neurokristopatioiksi.

1980-luvulla tutkijat löysivät Hox-geenit, geenit, jotka auttavat alkiota kehittymään tärkeimpien kehoakselien mukaisesti. Nämä geenit ohjaavat solujen vaelluskuvioita. Hox-geenien löytämisen ansiosta tutkijat pystyivät jäljittämään NCC:iden erilaisten migraatiomallien molekulaarisen syyn, mikä johti NCC:iden luokittelun alajaotteluun. Näihin luokituksiin kuuluvat vagaaliset ja sakraaliset NCC:t, jotka myötävaikuttavat sentraalisiin ganglioihin ja parasympaattisen hermoston neuroneihin. Tutkijat havaitsivat myös, että sydämen NCC:t vaikuttivat kehittyvän sydämen kudoksiin.

1980- ja 1990-luvuilla tutkijat vertasivat hermoruston kehitystä eri verrokkiryhmissä testatakseen hypoteeseja evolutiivisesta syntyperästä. Biologit alkoivat esimerkiksi väittää, että selkärankaiset kehittivät omaleimaiset sydämensä ja päänsä vasta sen jälkeen, kun niiden esi-isät olivat kehittyneet niin, että niillä oli neuraaliharjanteet. Tämä johti moniin julkaisuihin, joista yksi on Carl Gansin ja Glen Northcuttin teos ”NeuralCrest and the Origin of Vertebrates: a New Head”, joka julkaistiin vuonna 1983 heidän työskennellessään Michiganin yliopistossa Ann Arborissa, Michiganissa. Tässä artikkelissa Gans ja Northcutt väittävät, että selkärankaisista tuli selkärankaisia sen jälkeen, kun passiivisesta saalistuksesta siirryttiin aktiiviseen saalistukseen, jolloin monet selkärankaisten piirteet keskittyivät päähän.

Tutkijat alkoivat 2000-luvun vaihteessa väittää, että hermorinta on sukukerros.Aikaisemmin tutkijat tunnistivat kolme sukukerrosta: ektodermi, mesodermi ja endodermi. Vuonna 1999 Brian Hall Kanadan Nova Scotiassa sijaitsevasta Dalhousien yliopistosta julkaisi teoksen The Neural Crest And Neural CrestCells In Vertebrate Development And Evolution, jossa hän väitti, että neuraaliharjanne täyttää sukukerroksen vaatimukset. Ensinnäkin hän väittää, että sukukerrokset määritellään ensisijaisiksi kudoksiksi, joista alkio kehittyy. Hall toteaa, että itukerroksia on kahdenlaisia, primaarisia ja sekundaarisia. Ensisijaiset itukerrokset, ektodermi ja endodermi, ilmaantuvat ensimmäisenä kehittyvään selkärankaisen alkioon ennen hedelmöittymistä. Joillakin eläimillä, joita tutkijat kutsuvat diploblastisiksi, on vain nämä kaksi itukerrosta. Tähän ryhmään kuuluvat esimerkiksi meduusat ja sienet. Tripoblastisilla eläimillä on kuitenkin kolmas sukukerros, mesodermi, joka on kehittynyt eläimissä, joiden esi-isät olivat diploblastisia. Nämä eläimet, joita kutsutaan triploblasteiksi, kuuluvat myös ryhmään, jota kutsutaan bilaterioiksi ja johon kuuluvat litteät madot ja ihmiset, joiden kaikkien ensisijainen symmetria-akseli kulkee keskellä kehoa päästä häntään.

Tutkijat pitävät mesodermiä toissijaisena itukerroksena, koska se syntyy kahden ensimmäisen itukerroksen vuorovaikutuksesta. Hall väittää, että hermorusto on mesodermin tavoin sekundaarinen itukerros. Hän sanoo, että mesodermin tavoin hermorusto syntyy varhaisessa kehitysvaiheessa ensisijaisen itukerroksen, ektodermin, vuorovaikutuksesta. Lisäksi se osallistuu lukuisiin kudoksiin ja elimiin. Lisäksi hermorusto on selkärankaisten synapomorfia, kuten mesodermi on kaksivartisten synapomorfia. Hall väittää, että hermorinta ilmestyy tripoblastien evoluution jälkeen. Siksi hän väittää, että sen jälkeen syntyneitä eläimiä, selkärankaisia, pitäisi kutsua tetrablastisiksi eli nelikerroksisiksi. Hall väittää, että koska hermorusto esiintyy varhain kehityksessä, koska se on alkuperältään ektodermistä ja koska se on selkärankaisten synapomorfia, sitä olisi pidettävä sekundaarisena sukukerroksena.

1900-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä tutkijat jäljittivät kasvojen, pigmentin, sydämen, näön ja kuulon poikkeavuudet, mukaan lukien suulakihalkio ja albinismi, hermoruston ja NCC:n epänormaaliin kehitykseen. Tutkijat kiistelivät myös NCC:iden siirtymismekanismien ominaisuuksista. Lisäksi syöpätutkijat tutkivat hermorataa, koska hermoratojen ja syöpäsolujen välillä on samankaltaisuutta. Mekanismit, joilla NCC:t vaeltavat kehityksen aikana, erityiset signaalireitit ja NCC:iden käyttämät transkriptiotekijät ovat samoja kuin syöpäsolut, mikä tekee NCC:istä mallin syöpäsolujen lisääntymisen tutkimiseen.