The Embryo Project Encyclopedia

A fejlődés korai szakaszában a gerincesek embriói a neurális lemezen fejlődnek, ahol a neurális és epidermális ektoderma találkozik, az úgynevezett neural crest. A neurális gerinc neurális gerincsejteket (NCC) termel, amelyek az embrió fejlődése során több különböző sejttípussá válnak, és hozzájárulnak a szövetekhez és szervekhez. Néhány szerv és szövet közé tartoznak a perifériás és enterális (gyomor-bélrendszeri) neuronok és gliák, pigmentsejtek, a koponya és az arc porcai és csontjai, valamint a simaizomzat. A neurális gerinc által termelt NCC-k sokfélesége arra késztette a kutatókat, hogy a neurális gerincet negyedik csírarétegnek, vagy a korai embriók egyik elsődleges sejtes struktúrájának javasolják, amelyből minden felnőtt szövet és szerv kialakul. Továbbá az evolúcióbiológusok azért tanulmányozzák a neurális gerincet, mert ez az összes gerinces új, közös evolúciós jellemzője (szinapomorfia).

Bár a neurális gerinc először a gasztruláció során jelenik meg az embrióban, az invaginációs és terjedési folyamat során, amelynek során az ablastula gastrulává válik, a neurula stádiumban válik megkülönböztethetővé. A fejlődés neurula-stádiuma akkor következik be, amikor az ideglemez összehajlik és átalakul az idegcsővé, a struktúrává, amelyből végül a központi idegrendszer fejlődik ki. A neuralcrest a neurális lemez középvonalának mindkét oldalán lévő két csomópontban keletkezik a neurális és a nem-neurális ektoderma között. A neuruláció előrehaladtával és az idegcső kialakulásával a két csomópont az idegcső tetején találkozik. Ezután a neurális gerinc elválik a neurális csőtől, ezt a folyamatot delaminációnak nevezik, és ezt követően elvándorol a neurális csőtől.

Egyes kutatók azt állítják, hogy a neurális és az epidermális ektoderma közötti kölcsönhatás serkenti a neurális gerinc kialakulását. A legtöbb tudós azonban a neurális ektodermát tekinti a neurális gerincsejtek elődjének, mivel a neurális gerincből neuronok és ganglionok keletkeznek, amelyek közül az utóbbiak az idegrendszer perifériáján, az agyon és a gerincvelőn kívül elhelyezkedő idegsejtek kötegei.Továbbá a neurális gerincsejtek sorsának feltérképezése is a neurális ektodermába helyezte őket. A kutatók azért tanulmányozták az NCC-ket, mert a neurális gerincsejtek sokféle sejttípust hoznak létre. Az NCC-k például hasznos modellként szolgálnak az őssejtek tanulmányozásához, mivel az őssejtekhez hasonlóan képesek sokféle sejttípussá differenciálódni.

Ez a grafikon azt mutatja be, hogyan alakulnak ki és vándorolnak a neurális gerincsejtek a különböző gerinces állatokban.

Miután az idegcső kialakult, a neurális gerincsejtek (NCC-k) szív NCC-kké (CarNCC-k), törzs NCC-kké (tNCC-k), koponya NCC-kké (cNCC-k) vagy vagális és szakrális NCC-kké differenciálódnak. A differenciálódás során az NCC-k különböző kémiai környezetnek vannak kitéve, ami végül különböző sejttípusokká és szövetekké alakulnak. Először a vagális és a szakrális NCC-k vándorolnak el a neurális cső törzsétől a neurális cső, az epidermisz és a mezoderma szomitái között elhelyezkedő lazán csomagolt sejteken, az úgynevezett meszenchimán keresztül. Ezekből a sejtekből gasztrointesztinális enterális ganglionok és a nyaki paraszimpatikus ganglionok lesznek. Néhány tNCC egy alpályán keresztül vándorol, amely dorsolaterálisan az ektodermába és végül a has középvonalába, a pigmentsejtekhez vándorol. Más tNCC-k oldalsó irányban vándorolnak, és végül a fejlődő agy részévé válnak, különösen az érzékelő és szimpatikus neuronok, Schwann-sejtek és a mellékvesekéregsejtek. cNCC-kből pigmentsejtek, neuronok ésglia is fejlődnek, de ezek az egyedüli NCC-k, amelyek hozzájárulnak az arc és a koponya porcához és csontjához. cNCC-k felelősek az arc porcának és kötőszövetének, valamint a pajzsmirigyeknek a kialakulásáért. A carNCC-k a neuralcrest hátsó régiójában dorsolaterálisan vándorolnak, és a tüdőartéria és az aorta szeptumát, valamint az aorta ívartériákban az endothelt alkotják.

A kutatók a tizenkilencedik század közepén tanulmányozták a neurális gerincet. 1868-ban Wilhelm His, egy embriológus Bázelben, Svájcban, csirke- vagy Gallus gallus embriókat tanulmányozva azonosította a neurális cső feletti sejtréteget, mint a gerinc- és koponyagangliák őssejtjeit. Ezt nevezte el Zwischenstrangnak (köztes köldökzsinór). 1874-ben szervképző csírarégiónak nevezte el. Azonban amit azonosított, az nem a neurális gerinc volt, hanem az NCC-k egy alcsoportja, amely a neurális gerincből vándorolt a neurális cső feletti pozícióba.A történészek a neurális gerinc kifejezés első használatát Arthur Marshall, az angliai manchesteri OwensCollege professzorának 1879-ben megjelent tanulmányára vezetik vissza. 1878-ban, amikor szintén csirkeembriókat tanulmányozott, a neurális gerinc kifejezést használta ugyanazon sejtek leírására, amelyeket a neurális cső felett fedezett fel, de később felülvizsgálta a meghatározását. Marshall alkotta meg a neurális gerinc kifejezést a neurális és az epidermális ektoderma közötti két kapcsolódási pont leírására, amelyek a neurális cső befejezése előtt keletkeznek. Kijelentette, hogy ezentúl a neurális gerinc kifejezést csak a neurális gerincből kiinduló, a neurális cső fölé vándorló sejtek sávjának azonosítására szabad használni, amikor a neuruláció befejeződött.

1893-ban Julia Platt azectodermából származó NCC-ket azonosította a porcok elődjeként az arcon és a sárkánykutyák (Necturusmaculosus) fogainak garatív csontvázában. A tizenkilencedik század végén több intézményben is kutatott, többek között a Massachusetts állambeli WoodsHole-ban található Marine Biological Laboratory-ban és a németországi Freiburgban található Freiburgi Egyetemen.Sok kutató elutasította Platt értelmezését; részben azért, mert a csíranyag-elmélet, amely akkoriban meggyökeresedett elmélet volt, azt állította, hogy a három csíranyagréteg mindegyikéből sokféle szervezetben azonos típusú struktúrák fejlődtek ki. A kutatók azt állították, hogy Platt elmélete a neuralcrestről, és így az ektoderma eredetű, garatboltozatos csontvázakról lehetetlen, mivel a csontvázszövetek kizárólag a mezodermából származnak.Negyven évvel később, az 1920-as és 1930-as években a kutatók megerősítették Platt következtetését. Az 1950-es években a kutatók elkezdték tovább tanulmányozni a neurális gerincből kifejlődött csontvázszöveteket.

1950-ben SvenHörstadius publikálta The Neural Crest: Its Properties and Derivatives inthe Light of Experimental Research. Ebben a monográfiában, amelyet Hörstadius az angliai Londonban, a University of Londonban tartott előadásokon alapozott,áttekintette a neurális gerinccel kapcsolatos kísérleteket. Áttekintése több mint kétszázötven tanulmány adatait foglalta össze. Hörstadius munkája olyan kísérletekre hivatkozott, amelyek igazolták Platt következtetéseit, és a neuralcrestet a biológiai kutatások egyik területévé tette.

Az 1960-as években a neurális gerinc kutatók azt vizsgálták, hogy a törzs és a koponya NCC-k hogyan vándorolnak és adnak más szöveteket. 1963-ban James Weston a New Haven-i, Connecticut állambeli Yale Egyetemen publikálta “A Radioautographic Analysis of the Migration andLocalization of Trunk Neural Crest Cells in the Chick” című tanulmányát. Ebben a cikkben Weston azt állította, hogy az integumentális melanoblasztok a neuralcrestből vándoroltak az ektoderma felé. 1966-ban Malcolm Johnston, a Rochester-i (New York) Rochester-i Egyetemen hasonló tanulmányt publikált a cNCC-ről “A Radioautographic Study of the Migration and Fate of CranialNeural Crest Cells in the Chick Embryo” címmel, amelyben több NCC végpontját követte nyomon, megállapítva például, hogy egyesek az arc kötőszöveteivé váltak. Az 1960-as években a kutatók a korábban használt kétéltű embriók helyett madárembriókat kezdtek használni.

Az 1970-es években a kutatók térképeket állítottak össze, amelyek az NCC-k mozgását rögzítették.A kutatók felfedezték, hogy a különböző kémiai környezet, amelyben az NCC-k keletkeztek, arra késztette őket, hogy különböző típusú sejtekké differenciálódjanak és az egész embrióban vándoroljanak. Azonosították azokat a rendellenességeket is a szervezetekben, amelyek a neurális gerinc fejlődésének hibáiból erednek, ezeket neurokrisztopátiáknak nevezik.

Az 1980-as években a kutatók felfedezték a Hox-géneket, azokat a géneket, amelyek segítik az embrió fejlődését a fő testtengelyek szerint. Ezek a gének irányítják a sejtek vándorlási mintázatát. A Hox-gének felfedezése lehetővé tette a kutatók számára, hogy nyomon kövessék az NCC-k különböző migrációs mintázatainak molekuláris okát, ami az NCC-k osztályozásának további felosztásához vezetett. Ezek az osztályozások magukban foglalják a vagális és szakrális NCC-ket, amelyek hozzájárulnak az enterális ganglionokhoz és a paraszimpatikus idegrendszer neuronjaihoz. A kutatók azt is felfedezték, hogy a szív NCC-k hozzájárultak a fejlődő szívben lévő szövetekhez.

Az 1980-as és 1990-es években a kutatók összehasonlították a neurális gerinc fejlődését az egyes taxák között, hogy teszteljék az evolúciós felmenőkről szóló hipotéziseket. A biológusok például azt kezdték állítani, hogy a gerincesek csak azután fejlesztették ki jellegzetes szívüket és fejüket, hogy az őseiknek kifejlődött az ideggerincük. Ez számos publikációt eredményezett, amelyek közül az egyik Carl Gans és Glen Northcutt “NeuralCrest and the Origin of Vertebrates: A New Head” című könyve 1983-ban jelent meg, miközben ők ketten a Michigani Egyetemen dolgoztak Ann Arborban, Michigan államban. Ebben a tanulmányban Gans és Northcutt amellett érvel, hogy a gerincesek a passzív ragadozási módról az aktívra való áttérés után váltak gerincesekké, sok gerinces tulajdonságot a fejben összpontosítva.

A kutatók a huszonegyedik század fordulóján kezdtek azzal érvelni, hogy az ideghártya egy csíraréteg.Korábban a kutatók három csíraréteget ismertek el: az ektodermát,a mezodermát és az endodermát. 1999-ben Brian Hall, a kanadai Dalhousie Universityn, Új-Skóciában, publikálta a The Neural Crest And Neural CrestCells In Vertebrate Development And Evolution című könyvet, amelyben amellett érvelt, hogy a neurális gerinc megfelel a csíraréteggel szemben támasztott követelményeknek. Először is, azt állítja, hogy a csíkrétegek olyan elsődleges szövetek, amelyekből az embrió kifejlődik. Hall megjegyzi, hogy kétféle csíraréteg létezik,elsődleges és másodlagos. Az elsődleges csírarétegek, az ektoderma és az endoderma jelennek meg először a fejlődő gerinces embrióban, még a megtermékenyítés előtt. Egyes állatok, amelyeket a tudósok diploblasztikusnak neveznek, csak ezzel a két csíraréteggel rendelkeznek. Ebbe a csoportba tartoznak például a medúzák és a szivacsok. A tripoblasztos állatoknak azonban van egy harmadik csírarétege, az úgynevezett mezoderma, amely olyan állatokban fejlődött ki, amelyeknek az ősei diploblasztosak voltak. Ezek a triploblasztnak nevezett állatok szintén a bilateria nevű csoportba tartoznak, amelybe a laposférgek és az ember is beletartozik, amelyek mindegyikének elsődleges szimmetriatengelye a test közepén halad végig a fejtől a farokig.

A kutatók a mezodermát másodlagos csírarétegnek tekintik, mert az első két csíraréteg kölcsönhatásából keletkezik. Hall azt állítja, hogy a neurális gerinc a mezodermához hasonlóan másodlagos csíraréteg. Azt mondja, hogy a mezodermához hasonlóan a neurális gerinc a fejlődés korai szakaszában egy elsődleges csíraréteg, az ektoderma kölcsönhatásaiból keletkezik. Emellett számos szövethez és szervhez járul hozzá. Továbbá, a neurális gerincoszlop egy gerinces szinapomorfia, ahogy a mezoderm is egy kétéltű szinapomorfia. Hall azt állítja, hogy a neurális gerinc a tripoblasztok kifejlődése után jelenik meg. Ezért azt állítja, hogy az ezt követően kialakult állatokat, a gerinceseket tetrablasztikusnak, azaz négyrétegűnek kell nevezni. Hall azt állítja, hogy mivel az ideghártya a fejlődés korai szakaszában jelenik meg, mivel ektodermális eredetű, és mivel a gerincesek szinapomorfiája, másodlagos csírarétegnek kell tekinteni.

A huszadik század első évtizedeiben a kutatók az arc, a pigment, a szív, a látás és a hallás rendellenességeit, beleértve a szájpadhasadékot és az albinizmust, a neuralcrest és az NCC-k rendellenes fejlődésére vezették vissza. A kutatók vitatták az NCC-k vándorlási mechanizmusainak tulajdonságait is. Továbbá a rákkutatók az NCC-k és a rákos sejtek közötti hasonlóság miatt tanulmányozták a neurális gerincet. A mechanizmusok, amelyekkel az NCC-k a fejlődés során vándorolnak, a specifikus jelátviteli utak és az NCC-k által használt transzkripciós faktorok megegyeznek a rákos sejtekkel, így az NCC-k modellként szolgálnak a rákos sejtek burjánzásának tanulmányozásához.