Лекция 4 (А. П. Перевозчиков) Масштабные эволюционные инновации, ведущие к образованию позвоночных Тема 1: Образования головного мозга, сенсорных органов, челюстного аппарата и черепа у позвоночных

В создании эволюционно новых структур у позвоночных – головной мозг, череп, сенсорные плакоды, нервный гребень, челюсти, зубы, позвоночник и скелет, конечности, хвост после аннального отверстия- участвуют эволюционно консервативные гены.

Craniata делятся на два клада: Hyperotreti, или миксины, и Vertebrata, (позвоночные). С XIX века и до недавнего времени миксин рассматривали как сестринскую группу с миногами (Hyperoartia). Эти две группы объединяли в один клад Cyclostomi Однако миноги вместе с челюстными позвоночными (Gnathostomata) имеют много общих морфологических и физиологических свойств, которых нет ни у миксин, ни у бесчерепных хордовых (головохордовых и оболочников) Таким образом, есть много оснований полагать, что миксины являются сестринской группой (Hyperotreti) позвоночных (Vertebrata). Позвоночные же включают миног и челюстноротых (Gnathostomata).

Эволюционное становление организации головного мозга позвоночных

Craniata характеризуются черепом (сначала хрящевым и фиброзным), органами чувств трех типов, развивающихся в ходе эмбриогенеза из эктодермальных плакод (местных утолщений кожи зародыша, опущенных в сторону мозга, где они образуют сенсорные камеры). Самый передний – обонятельный орган, эволюционно единственный, становящийся парным у Vertebrata. Позади закладывается пара глаз (эмбрионально единой пластинкой) затем в виде пары боковых выростов мозга (diencephalon). Эктодерма и соединительная ткань, прилежащие к нейральным (фоточувствительным) частям глаза, также служат материалом для образования глазных структур Vertebrata (хрусталиков, глазных мышц и век). Позади глаз располагается пара аккустических органов – внутренних ушей. Внутренние уши – механорецепторы, требующиеся для слуха, балансирования, восприятия положения при движении. Сенсорные клетки внутреннего уха окружены полостью, заполненной эндолимфой; полость образуется из трех полукружных каналов. Аккустические органы являются важной составляющей системы органов боковой линии (включая рыб и амфибий), которая однако утрачивается у большинства наземных позвоночных (Amniota). Она состоит из латеральных нервных волокон, растущих от слухового нерва, а также из поверхностных механорецепторов нейромастов (каждый - группа волосковых клеток), располагающихся в бороздках или каналах на поверхности головы. У позвоночных они распространяются на тело, с каждого бока. Настоящие нейромасты, по-видимому, имеются только у позвоночных, но не у миксин.

Эмбриональное развитие головного мозга

Сравнение структур головного мозга позвоночных Forebrain Midbrain Hindbrain Embryonic Shark Goose Human

Факторы, участвующие в закладке различных отделов головного и спинного мозга млекопитающих

Гомеотические (гомеозисные) гены контролируют в передне- заднем направлении спецификацию заднего отдела головного (ромбомеры) и спинного мозга мыши

Участие гомеотических генов в спецификации нейральных структур вдоль передне-задней оси позвоночных и дрозофилы (ортологичные гены отмечены одинаковым цветом)

Череп заключает в себе мозг, состоящий из пяти частей: rhombencephalon, metencephalon, mesencephalon, diencephalon, and telencephalon. Metencephalon включает cerebellum у челюстноротых и некоторых бесчелюстных ископаемых. Волокна нервов у примитивных членов chordata не миелинизированы и становятся миелинизированными, начиная с челюстноротых. Головной мозг переходит в спинной (более узкий) мозг, который однако становится толще, начиная с челюстноротых. У головохордовых (cephalochordata) дорсальные (сенсорные) и вентральный (моторные) спинные нервны ответвляются отдельно, но объединяются, начиная с челюстноротых. У craniata появляются следующие черепно-мозговые парные нервы: обонятельный (I), оптический (II), тройничный (V), лицевой (VII), слуховой (VIII), языкоглоточный (IX) блуждающий (X). Дополнительные черепно-мозговые нервы: глазодвигательный (III), трохлеарный (IV) и отводящий (VI) появляются только у позвоночных (vertebrata). Некоторые считают, что последний нерв был вторично утрачен у миксин.

Схематическое представление (эмбриональных) структур головного мозга и сенсорных органов позвоночного, предположительно гомологичных головным структурам ланцетника

По А. Г. Зарайскому

Новые гены, активность которых приводит к формированию головного мозга и органов чувств –Dickkopf (в головном районе организатора); Anf (Xanf) – в нейральной пластинке (кодирует гомеодоменный транскрипционный фактор)

Создание головы Роль нервного гребня и клеток других зародышевых листков

Производные нервного гребня

Гены, активные в клетках НГ

Эволюционное происхождение нервного гребня

Генетическая регуляция индукции клеток нервного гребня Genetic regulation of neural crest cell induction. (A) Neural crest cells are born at the neural plate border, which is the junction between the surface ectoderm (se) and the dorsal region of the neural plate (np). Both the surface ectoderm and neural plate can give rise to neural crest cells. (B) BMP signalling is essential for establishing the boundary of the neural plate border and for the induction of neural crest cells in the dorsal region of the neural tube. BMP and its effects on neural crest induction can be modified by the Delta/Notch signalling pathway. Snail, Slug, Dlx, AP-2, and Noelin-1 genes are all expressed in either pre-migratory and/or migratory neural crest cells and are regulated by BMP signalling. Wnt6 is expressed in the surface ectoderm and is also a prime candidate for inducing neural crest cell formation. It remains to be determined whether Wnt and BMP signalling act synergistically during neural crest cell induction. Homologues of vertebrate genes expressed in pre-migratory and migratory neural crest cells have now been identified in protochordates which suggests that the necessary genetic machinery for neural crest formation and migration was already present in protochordates.

Миграция клеток нервного гребня и их участие в формировании структур головы Cranial neural crest cell migration. (A) During neurulation, the neural plate curls up to form a hollow neural tube (nt) and during this time neural crest cells are induced to form at the neural plate border. Neural crest cells undergo an epithelial to mesenchymal transition, delaminate from the neural tube and commence their migration to the periphery of the head. (B) In the vertebrate head, the majority of neural crest cells are derived from the hindbrain and the neural crest cells migrate in three discrete segregated streams into the branchial arches (ba). The neural crest cell derivatives are distinct for each branchial arch.

Производные клеток нервного гребня Neural crest cell derivatives. Derived from the neural tube, neural crest cells are a pluripotent, mesenchymal population that migrates extensively and gives rise to a vast array of cell types, tissues and organs. Given the wide variety of differentiative fates and a limited capacity for self renewal, neural crest cells are often considered to be a stem cell like population.

Эволюционные преобразования, приведшие к появлению головы позвоночных 1.«Позвоночная» гипотеза формирования черепа Гёте (1791). W. Oken, Geoffroy Saint-Hilaire 2.Альтернативная гипотеза T. H. Huxley (1858), Голова (череп, головной мозг)- что это? Истинная инновация или модификация предшествующих структур? Carl Gans и Glenn Northcutt ( ) выдвинули гипотезу, что в первую (эволюционно) очередь голова позвоночных формировалась, чтобы «обслуживать» две функции: 1) сенсорную, 2) активную глоточную и пищеварительную

Craniata характеризуются черепом: сложным комплексом элементов скелета, окружающим головной мозг и сенсорные капсулы. Череп миксины (вверху) состоит из хрящевых пластинок (синие), а собственно мозг окружен, в основном фиброзной оболочкой (желтая) к которой снизу примыкает хорда (зеленая). Череп миноги (в середине) имеет более сложное строение (черепной коробки) и представляет собой «бранхиальную корзину» из жаберных дуг. У челюстноротых (внизу) черепная коробка имеет, в основном, закрытую форму (по Janvier 1996b).

Важной инновацией, появляющейся с образованием черепа, является возникновение челюстей. Основной источник челюстного материала –клетки нервного гребня Эктомезенхима (производная нервного гребня- мезэктодерма), наряду с цефалической параксиальной и пресомитической мезодермой участвуют в формировании лицевого скелета

Происхождение костей черепа позвоночных

Производные клеток нервного гребня

Изменение пути миграции клеток нервного гребня приводит к образованию челюстей у рыб (челюстноротых) из жаберных дуг. Корреляция с прекращением экспрессии Hox-генов в первой глоточной дуге

Консервативные гены головных отделов животных

Происхождение клеток нервного гребня в ходе эволюции (гипотеза) The origins of neural crest cells and jaws during craniofacial evolution. Cephalochordates such as amphioxus exhibit regional expression of Snail, Hox and Dlx genes amongst many others in the dorsal epidermal/neural region which is morphologically homologous to the territory in which neural crest cells form in vertebrates. Despite having the genetic machinery, amphioxus lacks true vertebrate-like neural crest cells. The transition to agnathans (jawless vertebrates) coincided with the formation of a migrating neural crest cell population, a greater differentiative repertoire along with mandibular Hox and Dlx expression. Later during evolution, the loss of mandibular Hox gene expression combined with the appearance of nested domains of Dlx gene expression appears to have precipitated jaw formation and the transition to a predatory lifestyle. Many cis-regulatory elements are conserved between vertebrates and amphioxus but during evolution it is also clear that additional elements have been co-opted by emerging cell populations which opened the way for new domains of expression and function.

Этапы эволюции структур позвоночных Кладограмма, показывающая, что переход от беспозвоночных к позвоночным – сложный многоэтапный процесс, включающий образование и паттернирование много новых типов клеток и тканей. Возникновение первых позвоночных- бесчелюстных (миксин и миног) сопровождалось образованием новых наборов клеточных типов: клетки нервного гребня (НГ), краниальных плакод. У хордовых идентифицированы гомологичные гены, сранвнение их мест активности позволяет предполагать, что клетки- предшественники НГ могли уже присутствовать у ланцетника, а по ходу эволюции они начали мигрировать с сохранением способности дифференцироваться во множество клеточных типов (мультипотентность клеток НГ позвоночных).

Этапы эволюции структур позвоночных

Филогения головных отделов нервной системы и производных нервного гребня у хордовых (позвоночных)

Роль черепных плакод в инновациных преобразованиях, ведущих к позвоночным

Черепные плакоды образуются из единой преплакодной закладки впереди передней части нервной пластинки (и фланкирующих её границ нервного гребня), а затем сегрегируют на отдельные элементарные плакоды с соответствующими названиями

Краниальные плакоды эмбриона цыплёнка (стадии сомитов)

Краниальные плакоды раннего головастика Xenopus. In amniotes, profundal and trigeminal placode are commonly referred to as ophthalmic and maxillomandibular placode of the trigeminal nerve, respectively

Схематическое представление морфогенеза и сегрегация эктодермальной черепной преплакоды в различные плакоды у позвоночных (after Schlosser, 2006)

Гены ANF Гомеобоксные гены ANF (также известные у млекопитающих как HesX1 или Rpx) экспрессируются в передних отделах нервной пластинки и преплакоды, соответствуя районам переднего мозга и прилежащей эктодермы, включая области будущих аденогипофизной, обонятельных и,возможно, хрусталиковой плакод. Гены ANF участвуют в паттернировании и в регуляции переднего мозга и аденогипофиза, а затем они должны быть инактивированы, для цитодифференцировки нейронов и ряда типов нейроэндокринных клеток аденогипофиза. Мутанты ANF (HesX1) демонстрируют сильную редукцию или аберрантное развитие переднего мозга, структур из фденогипофизной, обонятельных и хрусталиковых плакод.

Schlosser, 2008