The Embryo Project Encyclopedia

Wczesne w procesie rozwoju, embriony kręgowców rozwijają się na płytce neuralnej, gdzie spotykają się ektodermy neuralna i epidermalna, zwane grzebieniem neuralnym. Grzebień neuralny produkuje komórki grzebienia neuralnego (NCC), które stają się wieloma różnymi typami komórek i przyczyniają się do rozwoju tkanek i narządów w miarę rozwoju embrionu. Niektóre z tych narządów i tkanek to neurony i zwoje obwodowe i jelitowe, komórki pigmentowe, chrząstki i kości czaszki i twarzy oraz mięśnie gładkie. Różnorodność NCC produkowanych przez grzebień neuronalny skłoniła badaczy do zaproponowania grzebienia neuronalnego jako czwartej warstwy zarodkowej lub jednej z podstawowych struktur komórkowych we wczesnych embrionach, z których powstają wszystkie dorosłe tkanki i organy. Co więcej, biolodzy ewolucyjni badają grzebień neuralny, ponieważ jest to nowa wspólna cecha ewolucyjna (synapomorfia) wszystkich kręgowców.

Chociaż grzebień neuralny po raz pierwszy pojawia się w zarodku podczas gastrulacji, procesu inaginacji i rozprzestrzeniania się, w wyniku którego ablastula staje się gastrulą, staje się wyróżniający podczas etapu neuruli. Etap neuruli ma miejsce, gdy płytka nerwowa składa się i przekształca w cewę nerwową, strukturę, która ostatecznie rozwinie się w centralny układ nerwowy. Neuralcrest powstaje na dwóch skrzyżowaniach, po jednym z każdej strony linii środkowej płytki neuralnej, pomiędzy ektodermą neuralną i nieneuralną. W miarę postępu neurulacji i tworzenia się cewy nerwowej, oba połączenia spotykają się na szczycie cewy nerwowej. Następnie neural crest oddziela się od neuraltube, proces zwany rozwarstwienia, a następnie migruje z dala od neural tube.

Niektórzy badacze twierdzą, że interactionbetween neural i ektodermy naskórka stymuluje genezę neural crest. Jednak większość naukowców traktuje ektodermę neuronalną jako miejsce pochodzenia komórek grzebienia neuronowego, ponieważ grzebień neuronalny daje początek neuronom i zwojom nerwowym, z których te ostatnie są wiązkami neuronów, które leżą na obrzeżach układu nerwowego, poza mózgiem i rdzeniem kręgowym.Ponadto, mapowanie losów komórek grzebienia neuronalnego również umieściło je w ektodermie neuronalnej. Naukowcy badali NCC ze względu na różnorodność typów komórek, które powstają z grzebienia neuronalnego. Na przykład, NCC stanowią użyteczny model do badania komórek macierzystych, ponieważ podobnie jak komórki macierzyste, mają one potencjał do różnicowania się w różnorodne typy komórek.

Ta grafika pokazuje, jak komórki grzebienia neuronalnego tworzą się i migrują w różnych rodzajach kręgowców.

Po uformowaniu cewy nerwowej, komórki grzebienia neuronowego (NCCs) różnicują się w sercowe NCCs (CarNCCs), pniowe NCCs (tNCCs), czaszkowe NCCs (cNCCs), lub błędnikowe i krzyżowe NCCs. W trakcie różnicowania NCCs poddawane są różnym warunkom chemicznym, co ostatecznie prowadzi do ich rozwoju w różne typy komórek i tkanek. Po pierwsze, błędne i krzyżowe NCCs migrują z dala od pnia cewy nerwowej przez luźno upakowane komórki, zwanemesenchyme, które znajdują się pomiędzy cewą nerwową, naskórkiem i somitami mezodermy. Komórki te stają się zwojami jelitowymi przewodu pokarmowego i zwojami przywspółczulnymi szyi. Niektóre tNCC migrują przez jeden podrzędny szlak, który przemieszcza się grzbietowo-bocznie do ektodermy i ostatecznie do linii środkowej brzucha, do komórek pigmentowych. Inne tNCC migrują na boki, stając się ostatecznie częścią rozwijającego się mózgu, szczególnie neuronów czuciowych i współczulnych, komórek Schwanna i komórek nadnerczy. cNCC rozwijają się również w komórki pigmentowe, neurony i glej, ale są to jedyne NCC, które przyczyniają się do rozwoju chrząstki i kości twarzy i czaszki. cNCC są odpowiedzialne za rozwój chrząstki i tkanki łącznej twarzy, jak również tarczycy. CarNCCs, na tylnym obszarze neuralcrest, migrują grzbietowo i tworzą przegrodę tętnicy płucnej i aorty, jak również śródbłonek w tętnicach aorty.

Naukowcy badali grzebień neuralny w połowie XIX wieku. W 1868 roku Wilhelm His, embriolog z Bazylei w Szwajcarii, badając embriony kurcząt lub Gallus gallus, zidentyfikował warstwę komórek powyżej cewy nerwowej jako progenitorów zwojów rdzeniowych i czaszkowych. Nazwał ją Zwischenstrang (rdzeń pośredni). W 1874 roku nazwał ją organotwórczym regionem germinalnym. Jednak to, co zidentyfikował, nie było grzebieniem nerwowym, ale podzbiorem NCC, które migrowały z grzebienia nerwowego do pozycji powyżej cewy nerwowej.Historycy uważają, że pierwsze użycie terminu grzebień nerwowy pochodzi z pracy opublikowanej w 1879 roku przez Arthura Marshalla, profesora OwensCollege w Manchesterze w Anglii. W 1878 roku, podczas badania zarodków kurcząt, użył on terminu grzbiet neuralny do opisania tych samych komórek, które odkrył powyżej cewy nerwowej, ale później zmienił swoją definicję. Marshall ukuł termin grzebień neuralny, aby opisać dwa połączenia między ektodermą neuronalną i epidermą, które powstają przed ukończeniem budowy cewy nerwowej. Ogłosił, że odtąd termin grzbiet neuralny powinien być używany tylko do identyfikacji pasma komórek, które wyrastają z grzebienia neuralnego, a które migrują powyżej cewy nerwowej po zakończeniu procesu neurulacji.

W 1893 roku Julia Platt zidentyfikowała NCCs z ektodermy jako protoplastów chrząstki w twarzy i w szkieletach łuku gardłowego zębów świstaka błotnego (Necturusmaculosus). W XIX wieku prowadziła badania w kilku instytucjach, w tym w Morskim Laboratorium Biologicznym w WoodsHole w Massachusetts oraz na Uniwersytecie we Fryburgu w Niemczech. Wielu badaczy odrzuciło interpretację Platt, częściowo dlatego, że teoria warstw zarodkowych, wówczas mocno zakorzeniona, głosiła, że każda z trzech warstw zarodkowych rozwinęła się w ten sam rodzaj struktur w wielu rodzajach organizmów. Naukowcy twierdzili, że teoria Platta o neuralcrest, a więc i o szkieletach łuku gardłowego pochodzących z ektodermy, jest niemożliwa, ponieważ tkanki szkieletowe pochodzą wyłącznie z mezodermy.40 lat później, w latach 20. i 30. ubiegłego wieku, naukowcy potwierdzili wnioski Platta. W latach 50. badacze zaczęli dalej studiować tkanki szkieletowe, które rozwinęły się z grzebienia nerwowego.

W 1950 roku SvenHörstadius opublikował The Neural Crest: Its Properties and Derivatives inthe Light of Experimental Research. W monografii tej, opartej na wykładach wygłoszonych na Uniwersytecie Londyńskim w Londynie, Hörstadius dokonał przeglądu eksperymentów nad grzebieniem neuronalnym. Przegląd ten obejmował dane z ponad dwustu pięćdziesięciu prac. Praca Hörstadiusa odnosiła się do eksperymentów, które weryfikowały wnioski Platta, i ugruntowała pozycję grzebienia nerwowego jako obszaru badań biologicznych.

W latach sześćdziesiątych XX wieku badacze grzebienia neuronalnego sprawdzali, w jaki sposób NCC z pnia i czaszki migrują i dają początek innym tkankom. W 1963 roku James Weston z Uniwersytetu Yale w New Haven, Connecticut, opublikował „Radioautograficzną analizę migracji i lokalizacji komórek grzebienia neuronowego pnia u pisklęcia”. W artykule tym Weston dowodził, że melanoblasty integumentalne migrowały z neuralcrest do ektodermy. W 1966 roku Malcolm Johnston z Uniwersytetu w Rochester w stanie Nowy Jork opublikował podobne badania nad cNCC zatytułowane „A Radioautographic Study of the Migration and Fate of CranialNeural Crest Cells in the Chick Embryo”, w których prześledził punkt końcowy większej liczby NCC, stwierdzając na przykład, że niektóre z nich przekształciły się w tkanki łączne twarzy. W latach 60-tych badacze zaczęli używać embrionów ptaków zamiast wcześniej używanych embrionów płazów.

Badacze w latach 70-tych skomponowali mapy, które chronologicznie opisywały ruchy NCCs.Naukowcy odkryli, że różne środowiska chemiczne, w których powstały NCCs spowodowały ich zróżnicowanie w różnych rodzajach komórek i podróżowanie po embrionach. Zidentyfikowali również nieprawidłowości w organizmach, które wynikają z defektów w rozwoju grzebienia nerwowego, zwanych neurokrystopatiami.

W latach 80. badacze odkryli geny Hox, geny, które pomagają powodować rozwój embrionów zgodnie z głównymi osiami ciała. Geny te kierują wzorcami migracyjnymi komórek. Odkrycie genów Hox pozwoliło badaczom prześledzić molekularną przyczynę różnych wzorów migracji NCCs, co doprowadziło do dalszych podziałów w klasyfikacji NCCs. Klasyfikacje te obejmują NCC wagalne i krzyżowe, które przyczyniają się do powstawania zwojów jelitowych i neuronów przywspółczulnego układu nerwowego. Naukowcy odkryli również, że sercowe NCCs przyczyniły się do powstania tkanek w rozwijającym się sercu.

Przez lata osiemdziesiąte i dziewięćdziesiąte, badacze porównywali rozwój grzebienia neuronowego w różnych taksach, aby przetestować hipotezy o ewolucyjnym rodowodzie. Na przykład biolodzy zaczęli twierdzić, że kręgowce rozwinęły swoje charakterystyczne serca i głowy dopiero po tym, jak ich przodkowie wyewoluowali, by mieć grzebienie neuronowe. Zaowocowało to wieloma publikacjami, z których jedną jest praca Carla Gansa i Glena Northcutta „NeuralCrest and the Origin of Vertebrates: a New Head”, opublikowana w 1983 roku, kiedy ci dwaj pracowali na Uniwersytecie Michigan w Ann Arbor, Michigan. W pracy tej Gans i Northcutt dowodzą, że kręgowce stały się kręgowcami po przejściu od pasywnych do aktywnych sposobów drapieżnictwa, koncentrując wiele cech kręgowców w głowie.

Naukowcy zaczęli twierdzić, że grzebień nerwowy jest warstwą zarodkową na przełomie dwudziestego i dwudziestego pierwszego wieku.Wcześniej naukowcy rozpoznali trzy warstwy zarodkowe: ektodermę, mezodermę i endodermę. W 1999 roku Brian Hall z Dalhousie University w Nowej Szkocji w Kanadzie opublikował książkę The Neural Crest And Neural CrestCells In Vertebrate Development And Evolution, w której dowodził, że grzebień neuralny spełnia wymagania, aby być warstwą zarodkową. Po pierwsze, twierdzi on, że warstwy zarodkowe definiuje się jako pierwotne tkanki, z których rozwija się zarodek. Hall zauważa, że istnieją dwa rodzaje warstw zarodkowych, pierwotne i wtórne. Pierwotne warstwy zarodkowe, ektoderma i endoderma, pojawiają się jako pierwsze w rozwijającym się zarodku kręgowców, jeszcze przed zapłodnieniem. Niektóre zwierzęta, które naukowcy nazywają diploblastycznymi, mają tylko te dwie warstwy zarodkowe. Do tej grupy należą organizmy takie jak meduzy i gąbki. Zwierzęta tripoblastyczne mają jednak trzecią warstwę zarodkową, zwaną mezodermą, która rozwinęła się u zwierząt, których przodkowie byli diploblastami. Zwierzęta te, zwane triploblastami, należą również do grupy zwanej bilateria, która obejmuje robaki płaskie i ludzi, z których wszystkie mają pierwotną oś symetrii w dół centrum ciała od głowy do ogona.

Badacze uważają mezodermę za wtórną warstwę zarodkową, ponieważ powstaje ona w wyniku interakcji dwóch pierwszych warstw zarodkowych. Hall twierdzi, że podobnie jak mezoderma, grzebień neuralny jest wtórną warstwą zarodkową. Mówi, że podobnie jak mezoderma, grzebień neuralny powstaje na wczesnym etapie rozwoju z interakcji w pierwotnej warstwie zarodkowej, ektodermie. Ponadto, przyczynia się do dużej liczby tkanek i narządów. Co więcej, grzebień neuralny jest synapomorfią kręgowców, podobnie jak mezoderma jest synapomorfią bilateralną. Hall twierdzi, że grzebień neuralny pojawia się poevolution tripoblasts. Dlatego też twierdzi, że zwierzęta, które pojawiły się później, kręgowce, powinny być nazywane tetrablastycznymi, czyli czterowarstwowymi. Hall argumentuje, że ponieważ grzebień neuralny pojawia się wcześnie w rozwoju, ponieważ jest pochodzenia ektodermalnego i ponieważ jest synapomorfią kręgowców, należy go uznać za wtórną warstwę zarodkową.

W pierwszych dekadach dwudziestego wieku, badacze śledzili twarz, pigment, serce, wzrok i słuch nieprawidłowości, w tymcleft palate i albinizm, do nieprawidłowego rozwoju neuralcrest i NCCs. Naukowcy debatowali również nad właściwościami mechanizmów, za pomocą których NCC migrują. Co więcej, badacze nowotworów badali grzebień neuralny ze względu na podobieństwo między NCC a komórkami nowotworowymi. Mechanizmy, dzięki którym NCC migrują podczas rozwoju, specyficzne szlaki sygnałowe i czynniki transkrypcyjne używane przez NCC są takie same jak komórki nowotworowe, co czyni NCC modelem do badania, jak komórki nowotworowe proliferują.