The Embryo Project Encyclopedia

Er vroeg in het ontwikkelingsproces ontwikkelen gewervelde embryo’s zich op de neurale plaat waar het neurale en epidermale ectoderm samenkomen, de neurale lijst genaamd. De neurale lijst produceert neurale lijstcellen (NCC’s), die uitgroeien tot verschillende celtypen en bijdragen aan weefsels en organen naarmate een embryo zich ontwikkelt. Enkele van deze organen en weefsels zijn perifere en enterische (gastro-intestinale) neuronen en gliacellen, pigmentcellen, kraakbeen en botten van de schedel en het gezicht, en gladde spieren. De verscheidenheid aan NCC’s die de neurale lijst produceert, heeft onderzoekers ertoe gebracht de neurale lijst voor te stellen als een vierde kiemlaag, of als een van de primaire cellulaire structuren in vroege embryo’s waaruit alle volwassen weefsels en organen ontstaan. Bovendien bestuderen evolutiebiologen de neurale lijst omdat het een nieuw gedeeld evolutionair kenmerk (synapomorfie) is van alle gewervelde dieren.

Hoewel de neurale lijst voor het eerst in het embryo verschijnt tijdens de gastrulatie, het invaginatie- en verspreidingsproces waarbij de ablastula een gastrula wordt, wordt het onderscheidbaar tijdens het theneurula-stadium. Het neurulastadium treedt op wanneer de neurale plaat zich plooit en overgaat in de neurale buis, de structuur die uiteindelijk zal uitgroeien tot het centrale zenuwstelsel. De neurale lijst ontstaat op twee kruispunten, één aan elke kant van de middellijn van de neurale plaat, tussen neuraal en niet-neuraal ectoderm. Naarmate de neurulatie vordert en de neurale buis zich vormt, komen de twee knooppunten samen aan de top van de neurale buis. Dan scheidt de neurale lijst zich van de neurale buis, een proces dat delaminatie wordt genoemd, en migreert vervolgens weg van de neurale buis.

Sommige onderzoekers stellen dat de interactie tussen het neurale en het epidermale ectoderm de genese van de neurale lijst stimuleert. De meeste wetenschappers beschouwen het neurale ectoderm echter als de voorloper van de cellen van de neurale lijst, aangezien uit de neurale lijst neuronen en ganglia ontstaan, die bundels neuronen zijn die aan de periferie van het zenuwstelsel liggen, buiten de hersenen en het ruggenmerg. Onderzoekers hebben NCC’s bestudeerd vanwege de diversiteit van celtypes waaruit de neurale lijst voortkomt. Zo vormen NCC’s een nuttig model voor het bestuderen van stamcellen, omdat ze net als stamcellen het vermogen hebben om te differentiëren in een groot aantal celtypen.

Deze grafiek laat zien hoe neurale kamcellen zich vormen en migreren bij verschillende soorten gewervelde dieren.

Zodra de neurale buis is gevormd, differentiëren de cellen van de neurale lijst (NCCs) zich in cardiale NCCs (CarNCCs), trunk NCCs (tNCCs), craniale NCCs (cNCCs), of vagale en sacrale NCCs. De differentiatie onderwerpt de NCCs aan verschillende chemische omgevingen, wat uiteindelijk resulteert in hun ontwikkeling tot verschillende celtypes en weefsels. Eerst migreren de vagale en sacrale NCC’s weg van de stam van de neurale buis door los opeengepakte cellen, het zogenaamde mesenchyme, dat zich bevindt tussen de neurale buis, de opperhuid en de somieten van het mesoderm. Deze cellen worden de gastro-intestinale enterische ganglia en de parasympatische ganglia van de nek. Sommige tNCC’s migreren via een subroute die dorsolateraal in het ectoderm loopt en uiteindelijk naar de middellijn van de buik, naar pigmentcellen. Andere tNCC’s migreren lateraal en worden uiteindelijk een deel van de zich ontwikkelende hersenen, met name sensorische en sympathische neuronen, Schwanncellen en adrenomedullaire cellen. cNCC’s ontwikkelen zich ook tot pigmentcellen, neuronen en gliacellen, maar dit zijn de enige NCC’s die bijdragen tot het kraakbeen en bot van het gezicht en de schedel. cNCC’s zijn verantwoordelijk voor de ontwikkeling van het kraakbeen en het bindweefsel in het gezicht en de schildklieren. CarNCC’s, op het achterste gedeelte van de neuralcrest, migreren dorsolateraal en vormen het septum van de longarterie en de aorta, alsmede het endotheel in de aortaboogarteriën.

Onderzoekers bestudeerden de neurale lijst in het midden van de negentiende eeuw. In 1868, Wilhelm His, een embryoloog in Basel, Zwitserland, het bestuderen van kuiken, of Gallus gallus embryo’s, geïdentificeerd een laag van cellen boven de neurale buis als de progenitors van spinale en craniale ganglia. Hij noemde het de Zwischenstrang (tussenliggende streng). In 1874 noemde hij het een orgaanvormend kiemgebied. Hij identificeerde echter niet de neurale lijst, maar een subgroep van NCCs die van de neurale lijst naar een positie boven de neurale buis waren gemigreerd. Historici herleiden het eerste gebruik van de term neurale lijst tot een paper dat in 1879 werd gepubliceerd door Arthur Marshall, een professor aan het OwensCollege in Manchester, Engeland. In 1878, toen hij ook kuikenembryo’s bestudeerde, gebruikte hij de term neurale kam om dezelfde cellen te beschrijven die hij boven de neurale buis had ontdekt, maar hij herzag later zijn definitie. Marshall bedacht de term neurale lijst om de twee verbindingen tussen het neurale en epidermale ectoderm aan te duiden die ontstaan voordat de neurale buis compleet is. Hij verklaarde dat de term neurale kam voortaan alleen mocht worden gebruikt om de band van cellen aan te duiden die uit de neurale kam ontstaan en die boven de neurale buis migreren wanneer de neurale buis voltooid is.

In 1893 identificeerde Julia Platt NCCs uitectoderm als de voorlopers van kraakbeen in het gezicht en in depharyngeal boog skeletten van de tanden van mudpuppies (Necturusmaculosus). Zij deed onderzoek aan verschillende instellingen in de late negentiende eeuw, waaronder het Marine Biological Laboratory, in WoodsHole, Massachusetts, en de Universiteit van Freiburg in Freiburg, Duitsland.Veel onderzoekers verwierpen Platt’s interpretatie; deels omdat de Kiemlaagtheorie, toen een vastgeroeste theorie, beweerde dat elk van de drie kiemlagen zich ontwikkelde tot dezelfde soort structuren in vele soorten organismen. Onderzoekers beweerden dat Platt’s theorie van neuralcrest, en dus van ectoderm afgeleide faryngeale boogskeletten, onmogelijk was omdat skeletweefsels uitsluitend uit het mesoderm voortkwamen. Veertig jaar later, in de jaren 1920 en 1930, bevestigden onderzoekers Platt’s conclusie. In de jaren 1950 begonnen onderzoekers verder te studeren op skeletweefsels die zich ontwikkelden uit de neurale lijst.

In 1950 publiceerde SvenHörstadius The Neural Crest: Its Properties and Derivatives inthe Light of Experimental Research. In deze monografie, die Hörstadius baseerde op lezingen gegeven aan de Universiteit van Londen in Londen, Engeland, beoordeelde hij experimenten op de neurale lijst. Zijn overzicht combineerde gegevens uit meer dan tweehonderdvijftig artikelen. Hörstadius’ werk verwees naar experimenten die Platt’s conclusies bevestigden, en het verankerde de neurale lijst als een gebied van biologisch onderzoek.

In de jaren 1960, onderzochten neurale kam onderzoekers hoe de romp en craniale NCCs migreren en aanleiding geven tot andere weefsels. In 1963 publiceerde James Weston van de Yale University in New Haven, Connecticut, “A Radioautographic Analysis of the Migration andLocalization of Trunk Neural Crest Cells in the Chick.” In dat artikel betoogde Weston dat melanoblasten van de huid van het kuiken van de neurale lijst naar het ectoderm migreerden. In 1966 publiceerde Malcolm Johnston, aan de Universiteit van Rochester, New York, een soortgelijke studie over cNCC, getiteld “A Radioautographic Study of the Migration and Fate of CranialNeural Crest Cells in the Chick Embryo,” waarin hij het eindpunt van meer NCCs traceerde, en bijvoorbeeld ontdekte dat sommige veranderden in bindweefsel in het gezicht. In de jaren zestig begonnen onderzoekers aviaire embryo’s te gebruiken in plaats van de eerder gebruikte amfibie-embryo’s.

Onderzoekers in de jaren zeventig stelden kaarten samen die de bewegingen van de NCC’s optekenden. Onderzoekers ontdekten dat de verschillende chemische omgevingen waarin de NCC’s ontstonden, ervoor zorgden dat ze differentieerden in verschillende soorten cellen en zich door de embryo’s bewogen. Zij identificeerden ook afwijkingen in organismen die het gevolg zijn van defecten in de ontwikkeling van de neurale lijst, de zogenaamde neurocristopathieën.

In de jaren 1980 ontdekten onderzoekers Hox-genen, genen die ervoor zorgen dat embryo’s zich ontwikkelen volgens de grote lichaamsassen. Deze genen sturen de migratiepatronen van cellen. De ontdekking van de Hox-genen stelde onderzoekers in staat de moleculaire oorzaak van verschillende migratiepatronen van NCC’s te achterhalen, wat leidde tot verdere onderverdelingen in de classificatie van NCC’s. Deze classificaties omvatten de vagale en sacrale NCCs die bijdragen aan de enterische ganglia en neuronen van het parasympatische zenuwstelsel. Onderzoekers ontdekten ook dat cardiale NCCs bijdroegen tot weefsels in het zich ontwikkelende hart.

Gedurende de jaren 1980 en 1990 vergeleken onderzoekers de ontwikkeling van de neurale lijst bij verschillende taxa om hypotheses te testen over evolutionaire voorouders. Zo begonnen biologen bijvoorbeeld te beweren dat ongewervelde dieren hun kenmerkende hart en hoofd pas ontwikkelden nadat hun voorouders waren geëvolueerd om neurale kammen te hebben. Dit resulteerde in een groot aantal publicaties, waaronder Carl Gans en Glen Northcutt’s “NeuralCrest and the Origin of Vertebrates: a New Head,” gepubliceerd in 1983 toen de twee werkten aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor, Michigan. In dit artikel betogen Gans en Northcutt dat gewervelde dieren gewervelde dieren werden na een verschuiving van passieve naar actieve manieren van predatie, waarbij veel gewervelde kenmerken in het hoofd werden geconcentreerd.

Onderzoekers begonnen rond de eeuwwisseling te betogen dat de nurale lijst een kiemlaag is. Voorheen erkenden onderzoekers drie kiemlagen: het ectoderm, mesoderm, en endoderm. In 1999 publiceerde Brian Hall, van de Dalhousie University in Nova Scotia, Canada, The Neural Crest And Neural CrestCells In Vertebrate Development And Evolution, waarin hij betoogde dat de neurale lijst voldoet aan de eisen om een kiemlaag te zijn. Ten eerste beweert hij dat kiemlagen worden gedefinieerd als primaire weefsels waaruit een embryo zich ontwikkelt. Hall merkt op dat er twee soorten kiemlagen zijn, primaire en secundaire. De primaire kiemlagen, het ectoderm en hetendoderm verschijnen het eerst in het zich ontwikkelende gewervelde embryo, vóór de bevruchting. Sommige dieren, die wetenschappers diploblastic noemen, hebben alleen deze twee kiemlagen. Deze groep omvat organismen zoals kwallen en sponzen. Tripoblastische dieren daarentegen hebben een derde kiemlaag, mesoderm genaamd, die geëvolueerd is bij dieren waarvan de voorouders diploblasten waren. Deze dieren, die triploblasten worden genoemd, behoren ook tot een groep die bilateria wordt genoemd, waartoe de platte wormen en de mens behoren, die alle een primaire symmetrie-as hebben door het midden van het lichaam van kop tot staart.

Onderzoekers beschouwen het mesoderm als een secundaire kiemlaag omdat het ontstaat uit de interacties van de eerste twee kiemlagen. Hall stelt dat net als het mesoderm, de neurale lijst een secundaire kiemlaag is. Hij zegt dat de neurale lijst, net als het mesoderm, vroeg in de ontwikkeling ontstaat uit interacties in een primaire kiemlaag, het ectoderm. Ook draagt de neurale lijst bij tot een groot aantal weefsels en organen. Bovendien is de neurale lijst een gewervelde synapomorfie, zoals het mesoderm een bilateraal synapomorfie is. Hall beweert dat de neurale lijst verschijnt na de evolutie van de tripoblasten. Daarom betoogt hij dat de dieren die daarna kwamen, de vertebraten, tetrablastisch genoemd moeten worden, dat wil zeggen vier lagen. Hall stelt dat omdat de neurale lijst pas vroeg in de ontwikkeling verschijnt, omdat hij van ectodermale oorsprong is, en omdat hij een synapomorfie van de vertebraten is, hij als een secundaire kiemlaag moet worden beschouwd.

In de eerste decennia van de twintigste eeuw brachten onderzoekers afwijkingen in het gezicht, pigment, hart, gezichtsvermogen en gehoor, waaronder gespleten gehemelte en albinisme, terug tot een abnormale ontwikkeling van de neurale borst en de NCCs. Onderzoekers hebben ook gediscussieerd over de eigenschappen van de themamechanismen waardoor NCC’s migreren. Bovendien bestudeerden kankeronderzoekers de neurale lijst vanwege de gelijkenis tussen NCC’s en kankercellen. De mechanismen waarmee NCCs tijdens hun ontwikkeling migreren, de specifieke signaalwegen en de transcriptiefactoren die door NCCs worden gebruikt, zijn dezelfde als die van kankercellen, waardoor NCCs een model zijn om te bestuderen hoe kankercellen zich vermenigvuldigen.