L’enciclopedia dell’Embryo Project

Al principio del processo di sviluppo, gli embrioni dei vertebrati si sviluppano sulla placca neurale dove si incontrano gli ectodermi neurali ed epidermici, chiamata cresta neurale. La cresta neurale produce cellule della cresta neurale (NCC), che diventano molteplici tipi di cellule diverse e contribuiscono a totissues e organi come un embrione si sviluppa. Alcuni degli organi e dei tessuti includono i neuroni periferici ed enterici (gastrointestinali) e laglia, le cellule dei pigmenti, la cartilagine e le ossa del cranio e del viso, e il muscolo liscio. La diversità di NCC che la cresta neurale produce ha portato i ricercatori a proporre la cresta neurale come un quarto strato germinale, o una delle strutture cellulari primarie nei primi embrioni da cui nascono tutti i tessuti e gli organi adulti. Inoltre, i biologi evolutivi studiano la cresta neurale perché è un nuovo carattere evolutivo condiviso (sinapomorfia) di tutti i vertebrati.

Anche se la cresta neurale appare per la prima volta nell’embrione durante la gastrulazione, il processo di invaginazione e diffusione con cui l’ablastula diventa una gastrula, diventa distinguibile durante lo stadio di neurula. La fase neurulare dello sviluppo si verifica quando la placca neurale si piega e si trasforma nel tubo neurale, la struttura che alla fine si svilupperà nel sistema nervoso centrale. La cresta neurale nasce a due giunzioni, una su ciascun lato della linea mediana della placca neurale, tra ectoderma neurale e non neurale. Quando la neurulazione procede e si forma il tubo neurale, le due giunzioni si incontrano nella parte superiore del tubo neurale. Poi la cresta neurale si separa dal tubo neurale, un processo chiamato delaminazione, e successivamente migra lontano dal tubo neurale.

Alcuni ricercatori sostengono che l’interazione tra ectoderma neurale ed epidermico stimola la genesi della cresta neurale. Tuttavia, la maggior parte degli scienziati tratta l’ectoderma neurale come il progenitore delle cellule della cresta neurale, poiché la cresta neurale dà origine ai neuroni e ai gangli, questi ultimi sono fasci di neuroni che si trovano alla periferia del sistema nervoso, al di fuori del cervello e del midollo spinale.Inoltre, la mappatura del destino delle cellule della cresta neurale le ha anche collocate nell’ectoderma neurale. I ricercatori hanno studiato NCCs a causa della diversità dei tipi di cellule che la cresta neurale dà origine a. Per esempio, le NCC forniscono un modello utile per lo studio delle cellule staminali perché, come le cellule staminali, hanno il potenziale di differenziarsi in un diverso numero di tipi di cellule.

Questo grafico mostra come le cellule della cresta neurale si formano e migrano in diversi tipi di animali vertebrati.

Una volta formato il tubo neurale, le cellule della cresta neurale (NCCs) si differenziano in NCCs cardiache (CarNCCs), NCCs del tronco (tNCCs), NCCs craniche (cNCCs), o NCCs vagali e sacrali. La differenziazione soggetti NCCs a diversi ambienti chimici, in ultima analisi, con conseguente loro sviluppo in diversi tipi di cellule e tessuti. In primo luogo, il vagale e sacrale NCCs migrare via dal tronco del tubo neurale attraverso le cellule vagamente imballato, chiamatomesenchyme, che sono tra il tubo neurale, epidermide, e somiti ofthe mesoderma. Queste cellule diventano gangli enterici gastrointestinali e i gangli parasimpatici del collo. Alcune tNCC migrano attraverso un percorso secondario che viaggia dorsolateralmente nell’ectoderma e infine alla linea mediana del ventre, alle cellule pigmentarie. Altri tNCC migrano lateralmente, diventando alla fine una parte del cervello in via di sviluppo, in particolare i neuroni sensoriali e simpatici, le cellule di Schwann e le cellule surrenomedullari. I cNCC si sviluppano anche in cellule pigmentarie, neuroni eglia, ma questi sono gli unici NCC che contribuiscono alla cartilagine e all’osso della faccia e del cranio. I cNCC sono responsabili dello sviluppo della cartilagine e del tessuto connettivo della faccia e delle ghiandole tiroidee. CarNCCs, sulla regione posteriore della cresta neurale, migrare dorsolateralmente e formare il setto dell’arteria polmonare e l’aorta, così come l’endotelio nelle arterie aortiche.

I ricercatori hanno studiato la cresta neurale a metà del XIX secolo. Nel 1868, Wilhelm His, un embriologo di Basilea, Svizzera, studiando embrioni di pulcino, o Gallus gallus, identificò uno strato di cellule sopra il tubo neurale come i progenitori dei gangli spinali e craniali. Lo chiamò Zwischenstrang (midollo intermedio). Nel 1874 la chiamò regione germinale formatrice di organi. Tuttavia, ciò che ha identificato non era la cresta neurale, ma un sottoinsieme di NCCs che era migrato dalla cresta neurale in una posizione sopra il tubo neurale. Gli storici fanno risalire il primo uso della cresta neurale termine a un documento pubblicato nel 1879 da Arthur Marshall, un professore di OwensCollege a Manchester, Inghilterra. Nel 1878, mentre studiava anche gli embrioni di pulcini, usò il termine cresta neurale per descrivere le stesse cellule che aveva scoperto sopra il tubo neurale, ma in seguito rivede la sua definizione. Marshall coniò il termine cresta neurale per descrivere le due giunzioni tra l’ectoderma neurale ed epidermico che sorgono prima che il tubo neurale sia completo. Proclamò che d’ora in poi il termine cresta neurale doveva essere usato solo per identificare la banda di cellule che nascono dalla cresta neurale, che migrano sopra il tubo neurale quando la curvatura è completa.

Nel 1893, Julia Platt identificò le NCC dall’ectoderma come i progenitori della cartilagine nella faccia e negli scheletri dell’arco faringeo dei denti dei mudpuppies (Necturusmaculosus). Molti ricercatori rifiutarono l’interpretazione di Platt, in parte perché la teoria dei tre strati germinali, allora radicata, sosteneva che ognuno dei tre strati germinali si sviluppava negli stessi tipi di strutture in molti tipi di organismi. I ricercatori sostenevano che la teoria di Platt della cresta neurale, e quindi degli scheletri dell’arco faringeo derivati dall’ectoderma, era impossibile perché i tessuti scheletrici provenivano esclusivamente dal mesoderma.Quarant’anni dopo, negli anni ’20 e ’30, i ricercatori confermarono la conclusione di Platt. Negli anni ’50, i ricercatori iniziarono a studiare ulteriormente i tessuti scheletrici che si sviluppavano dalla cresta neurale.

Nel 1950, SvenHörstadius pubblicò The Neural Crest: Its Properties and Derivatives inthe Light of Experimental Research. In questa monografia, che Hörstadius basava su lezioni tenute all’Università di Londra a Londra, in Inghilterra, ha rivisto gli esperimenti sulla cresta neurale. La sua revisione combinava i dati di più di duecentocinquanta articoli. Il lavoro di Hörstadius si riferiva a esperimenti che verificavano le conclusioni di Platt, e consolidava la cresta neurale come area di indagine biologica.

Negli anni ’60, i ricercatori della cresta neurale esaminarono come le NCC del tronco e del cranio migrano e danno origine ad altri tessuti. Nel 1963 James Weston della Yale University di New Haven, Connecticut, pubblicò “A Radioautographic Analysis of the Migration andLocalization of Trunk Neural Crest Cells in the Chick”. In quell’articolo, Weston sostenne che i melanoblasti integrali migravano dalla cresta neurale all’ectoderma. Nel 1966, Malcolm Johnston, all’Università di Rochester, New York, pubblicò uno studio simile sulle cNCC intitolato “A Radioautographic Study of the Migration and Fate of CranialNeural Crest Cells in Chick Embryo”, in cui tracciò il punto finale di più NCCs, trovando per esempio che alcune si trasformarono in tessuti connettivi nel viso. Durante gli anni ’60, i ricercatori cominciarono ad usare embrioni aviari invece di quelli anfibi usati in precedenza.

I ricercatori degli anni ’70 componevano mappe che descrivevano i movimenti delle NCC, scoprendo che i diversi ambienti chimici in cui le NCC avevano origine le facevano differenziare in diversi tipi di cellule e viaggiare attraverso gli embrioni. Hanno anche identificato anomalie negli organismi che derivano da difetti nello sviluppo della cresta neurale, chiamate neurocristopatie.

Negli anni 80, i ricercatori hanno scoperto i geni Hox, geni che aiutano a far sviluppare l’embrione secondo gli assi principali del corpo. Questi geni guidano i modelli migratori delle cellule. La scoperta dei geni Hox ha permesso ai ricercatori di rintracciare la causa molecolare dei diversi modelli di migrazione dei NCC, portando a ulteriori suddivisioni nella classificazione dei NCC. Queste classificazioni includono i NCC vagali e sacrali che contribuiscono ai ganglienterici e ai neuroni del sistema nervoso parasimpatico. I ricercatori hanno anche scoperto che i NCC cardiaci hanno contribuito a totissues nel cuore in via di sviluppo.

Per tutti gli anni ’80 e ’90, i ricercatori hanno confrontato lo sviluppo della cresta neurale attraverso i taxa per testare le ipotesi sull’ascendenza evolutiva. Per esempio, i biologi hanno cominciato a sostenere che i vertebrati hanno sviluppato i loro caratteristici cuori e teste solo dopo che i loro antenati si erano evoluti per avere le creste neurali. Questo portò a molte pubblicazioni, una delle quali è “NeuralCrest and the Origin of Vertebrates: a New Head” di Carl Gans e Glen Northcutt, pubblicata nel 1983 mentre i due lavoravano all’Università del Michigan ad Ann Arbor, Michigan. In questo documento, Gans e Northcutt sostengono che i vertebrati sono diventati vertebrati dopo un passaggio da modalità passive ad attive di predazione, concentrando molte caratteristiche dei vertebrati nella testa.

I ricercatori hanno cominciato a sostenere che la cresta neurale è uno strato germinale all’inizio del ventunesimo secolo; in precedenza, i ricercatori riconoscevano tre strati germinali: ectoderma, mesoderma ed endoderma. Nel 1999 Brian Hall, della Dalhousie University in Nova Scotia, Canada, ha pubblicato The Neural Crest And Neural CrestCells In Vertebrate Development And Evolution, in cui sostiene che la cresta neurale soddisfa i requisiti per essere uno strato germinale. In primo luogo, afferma che gli strati germinali sono definiti come tessuti primari da cui si sviluppa un embrione. Hall nota che ci sono due tipi di strati germinali, primari e secondari. Gli strati germinali primari, l’ectoderma e l’endoderma appaiono per primi nell’embrione dei vertebrati in via di sviluppo, prima della fecondazione. Alcuni animali, che gli scienziati chiamano diploblastici, hanno solo questi due strati germinali. Questo gruppo include organismi come le meduse e le spugne. Gli animali triploblastici, tuttavia, hanno un terzo strato germinale, chiamato mesoderma, che si è evoluto in animali i cui antenati erano werediploblasti. Questi animali, chiamati triploblasti, appartengono anche a un gruppo chiamato bilateria, che include i vermi piatti e gli esseri umani, che hanno tutti un asse primario di simmetria lungo il centro del corpo dalla testa alla coda.

I ricercatori considerano il mesoderma uno strato germinale secondario perché nasce dalle interazioni dei primi due strati germinali. Hall sostiene che come il mesoderma, la cresta neurale è uno strato germinale secondario. Dice che come il mesoderma, la cresta neurale nasce all’inizio dello sviluppo dalle interazioni in uno strato germinale primario, l’ectoderma. Inoltre, contribuisce a un gran numero di tessuti e organi. Inoltre, la cresta neurale è una sinapomorfia dei vertebrati, come il mesoderma è una sinapomorfia dei bilateri. Hall sostiene che la cresta neurale appare dopo l’evoluzione dei tripoblasti. Pertanto, egli sostiene che gli animali che sono venuti dopo, i vertebrati, dovrebbero essere chiamati tetrablastici, cioè quattro strati. Hall sostiene che poiché la cresta neurale appare presto nello sviluppo, poiché è di origine ectodermica e poiché è una sinapomorfia dei vertebrati, dovrebbe essere considerata uno strato germinale secondario.

Nei primi decenni del ventesimo secolo, i ricercatori hanno ricondotto le anomalie facciali, dei pigmenti, del cuore, della vista e dell’udito, tra cui la palatoschisi e l’albinismo, ad uno sviluppo anomalo della cresta neurale e degli NCC. I ricercatori hanno anche discusso le proprietà dei meccanismi con cui i NCC migrano. Inoltre, i ricercatori del cancro hanno studiato la cresta neurale a causa della somiglianza tra NCC e cellule cancerose. I meccanismi con cui i NCC migrano durante lo sviluppo, le vie di segnalazione specifiche e i fattori di trascrizione usati dai NCC sono gli stessi delle cellule tumorali, rendendo i NCC un modello per studiare come proliferano le cellule tumorali.