Corso di Laurea Magistrale: Biologia Applicata alla Biomedicina

Corso di Laurea Magistrale: Biologia Applicata alla Biomedicina (curriculum
Neurobiologico)
Nome del corso: Sviluppo e Differenziamento del Sistema Nervovo
Responsabile del
Corso
Robert Vignali
Altri docenti
Dr Matteo Caleo (CNR)
Numero CFU e
tipologia
6
Obiettivo formativo
generale del corso
Il corso si propone di illustrare le modalità con cui si sviluppa il sistema
nervoso centrale (SNC), con particolare riguardo ai vertebrati. Verranno
studiate le interazioni tissutali e genetico-molecolari che
progressivamente costruiscono la complessa organizzazione strutturale e
funzionale del sistema nervoso, inclusi i meccanismi relativi al
differenziamento delle cellule del SNC, alla crescita e navigazione degli
assoni ed alla plasticità.
Elenco degli
argomenti trattati
Fasi iniziali dello sviluppo del sistema nervoso: formazione della
piastra neurale e del tubo neurale (la neurulazione). Formazione delle
tre vescicole encefaliche (prosencefalo, mesencefalo, rombencefalo);
stadio a cinque vescicole (telecefalo, diencefalo, mesencefalo,
metencefalo, mielencefalo). Midollo spinale. Lamine fondamentali,
lamine alari e solco di His. Definizioni e descrizione generale del
sistema nervoso centrale e periferico dell'adulto: contributo generale di
tubo neurale, creste neurali e placodi ectodermici alla formazione del
sistema nervoso.
Principali sistemi modello utilizzati nello studio dello sviluppo e
differenziamento del sistema nervoso. Aspetti generali dello sviluppo
del sistema nervoso. Mappe dei territori presuntivi e di specificazione;
commitment, specificazione, determinazione (richiami). Induzione
neurale: esperimento di Spemann e Mangold. Regionalizzazione
dell'induzione: esperimenti di Otto Mangold.
Induttori artificiali. Segnali verticali e planari nell'induzione neurale:
saggi di coniugazione e induzione; esperimenti di esogastrulazione di
Holtfreter. Esperimenti di Nieuwkoop e modello di attivazionetrasformazione. Esperimento di Eyal-Giladi e conferma del modello di
attivazione-trasformazione.
Revisione
dell'esperimento
di
esogastrulazione di Holtfreter ed esperimenti con Keller sandwiches:
evidenza per i segnali planari. Xenopus come sistema modello.
Screening funzionale di attività genetiche dell'organizzatore:
l'isolamento di noggin.
Evidenza che segnali attivi inibiscono il differenziamento neurale:
esperimenti di dissociazione di animal caps. Il blocco della via
dell'activina, e la scoperta che fattori BMP inibiscono il destino neurale.
Vie di trasduzione del segnale dei fattori TGF-beta. Antagonismo
noggin/BMP e chordin/BMP. Meccanismo molecolare di azione di
chordin e noggin. Altri inibitori di BMPs (cenni).
Fattori posteriorizzanti nell'induzione del sistema nervoso. Ruolo di
FGF come fattore posteriorizzante del sistema nervoso e/o come
agente neuralizzante diretto. Wnts come fattori posteriorizzanti del
sistema nervoso.
Inibitori di wnt e induzione delle regioni rostrali dell'embrione e del
SNC: Dikkopf e Freezbee. Cerberus ed il modello della tripla inibizione
(anti wnt, anti BMP e anti nodal) per l'induzione delle regioni rostrali
del SNC. Insulin-like growth factors nell'induzione delle regioni rostrali
del SNC.
Analisi genetica del ruolo di noggin o/e chordin nel topo: singoli e
doppi knockout. Altri geni coinvolti nello sviluppo anteriore:
inattivazione di Hesx1 e assenza dell'encefalo rostrale. Effetto della
tripla inibizione di chordin, noggin e follistatin sull'induzione neurale in
Xenopus. Effetto del knockout di Dkk-1: assenza di sviluppo delle
regioni rostrali. Conservazione evolutiva della funzione Otx/otd; il gene
otd di Drosophila recupera gli effetti del knock-out di Otx2. Controllo
traduzionale della sintesi di proteina otx2 nel neuroectoderma.
Organizzatori secondari e regionalizzazione del SNC: ruolo
dell'"anterior neural ridge" nell'induzione del telencefalo in zebrafish e
topo. Ruolo di FGF8 nella "anterior neural ridge" di topo. Le cellule del
bordo anteriore ("row 1") di zebrafish: proprietà induttive. Ruolo di Tlc
nella "row1" e nella induzione del telencefalo in zebrafish.
L'organizzatore dell'istmo: proprietà induttive dell'istmo; ruolo di FGF8
nell'istmo. Posizionamento dell'istmo da parte di Gbx2 e Otx2:
modificazione genetica dei domini di espressione di questi geni e
conseguente spostamento dell'istmo.
Modello prosomerico della organizzazione rostrale del SNC:
prosomeri, neuromeri e segmentazione del SNC anteriore.
Organizzazione
segmentale
e
compartimentalizzazione
del
romboencefalo. Esperimenti di trapianto di rombomeri. Geni coinvolti
nella segmentazione e nella specificazione dei rombomeri: Krox-20 e
Kreisler.
Effetti della inattivazione funzionale o della espressione ectopica dei
geni Hox: esempio di Hoxb1. Ruolo di acido retinoico come fattore
posteriorizzante del sistema nervoso. Azione di recettori dominanti
negativi o costitutivi per l'acido retinoico sullo sviluppo embrionale.
Ruolo di CYP26 e Raldh2 nel patterning del romboencefalo.
Espressione delle efrine e loro recettori nel romboencefalo. Efrine e
proprietà di miscibilità delle cellule di rombomeri adiacenti.
Organizzazione dorso-ventrale del tubo neurale: lamina basale ed
alare; lamina del pavimento (floor plate) e lamina del tetto (roof plate).
La formazione del patterning dorso-ventrale e l'azione induttiva della
notocorda e della floor plate: Sonic hedgehog e la sua azione
ventralizzante. Nkx2.2 e Nkx6.1 come fattori effettori della azione di
sonic hedgehog nella specificazione dei progenitori di neuroni ventrali.
Azione dorsalizzante della "roof plate". Fattori TGFbeta prodotti dalla
"roof plate". Ablazione genetica della "roof plate": conseguenze sul
patterning dorsoventrale e sulla specificazione dei neuroni dorsali. Il
mutante dreher ed il gene Lmx1a, i fattori Wnt1 e Wnt3a. Daam2 come
potenziatore della via canonica di WNT/beta catenina.
Organizzazione generale delle colonne dei motoneuroni spinali e loro
targets. Ruolo dei geni Hox nella specificazione delle colonne motrici
LMC (lateral motor column) e CT (colonna di Terni) del midollo spinale
di pollo, e dei pool di motoneuroni.
Istogenesi del sistema nervoso: divisioni cellulari e istogenesi nel
midollo spinale. Organizzazione pseudostratificata del neuroepitelio,
ciclo cellulare e migrazione dei nuclei nel neuroepitelio. Istogenesi
della corteccia cerebrale. Esperimenti di "birthdating" dei neuroni
corticali. Le cellule della glia radiale. Zona ventricolare e
subventricolare. Migrazione tangenziale di neuroni corticali dalle
porzioni basali del telencefalo.
Organizzazione e istogenesi della corteccia cerebellare. Formazione
dello strati esterno dei granuli e loro migrazione durante l'istogenesi
della corteccia cerebellare. Fenomeni di neurogenesi secondaria.
Conservazione dei meccanismi molecolari nello sviluppo del sistema
nervoso: antagonismo chd/BMP e sog/dpp nei vertebrati e in
Drosophila. Ectoderma neurogenico e clusters proneurali in
Drosophila. La specificazione del destino neuronale. Fenomeni di
inibizione laterale: Delta e Notch. Geni proneurali e neurogenici.
Conservazione dei geni proneurali e neurogenici nei vertebrati.
Neurogenesi primaria in Xenopus: esempi dell'attività proneurale di
NeuroD e neurogenin in Xenopus. Azione inibitoria di Delta e Notch
sulla neurogenesi primaria. Geni Sox di risposta immediata
all'induzione neurale: SoxD.
Sviluppo dell'occhio nella Drosophila e nei vertebrati: conservazione
delle reti geniche coinvolte nella specificazione del campo oculare.
eyeless, toy e altri geni coinvolti nello sviluppo dell'occhio di
Drosophila, sono conservati nei vertebrati. Meccanismi molecolari di
specificazione retinica: ath5 e lo sviluppo delle cellule gangliari.
Knockout di Math5 in topo ed esperimenti di lipofezione in Xenopus.
BH1 come fatttore homeobox nello sviluppo gangliare. Meccanismi
molecolari di controllo del timing retinogenetico. Controllo della
traduzione di mRNA chiave per lo sviluppo dei neuroni bipolari. Ruolo
di specifici microRNA nella regolazione della traduzione di mRNA
chiave (Xotx2, Xvsx1) per la specificazione dei neuroni bipolari.
Altri esempi di neurogenesi: Neurogenin 1, Neurogenin 2 e Mash1
sono attivi in fenomeni di neurogenesi regionale nel telencefalo dei
mammiferi.
Meccanismi di estensione assonale. Struttura e avanzamento del cono
di crescita. Fattori che influenzano l’estensione assonale. “Stepwise
navigation” degli assoni in sviluppo. Le molecole di adesione: laminine,
integrine, caderine, NCAM. Fattori diffusibili: le netrine. Esperimenti nei
topi mutanti per netrin-1 e il suo recettore dcc.
Inibitori della crescita assonale nel SNC di mammifero: implicazioni per
la rigenerazione dopo lesione. L’esperimento di Sperry. Formazione di
mappe topografiche nel tetto ottico. Esperimenti di “stripe-assay” ed
estensione degli assoni retinici. Le efrine e i loro recettori. Proiezioni
retino-collicolari in topi knockout per le efrine. La formazione della
sinapsi neuromuscolare. Ruolo delle interazioni bidirezionali nervomuscolo. Accumulo di recettori nicotinici alla sinapsi: effetti dell’agrina.
Signalling dell’agrina: Musk e Rapsyn. Neuregulin (ARIA) e la
trascrizione dei geni per i recettori nicotinici. Attività elettrica e
regolazione della sintesi di recettori per l’acetilcolina. Eliminazione
delle sinapsi: ruolo dei fattori neurotrofici. Ultrastruttura delle sinapsi
centrali. Recettori ionotropici e metabotropici. Formazione di sinapsi
tra neuroni in coltura. Ancoraggio dei recettori post-sinaptici: ruolo di
Narp, gefirina, PSD-95.
I fattori neurotrofici: esperimenti di Levi-Montalcini e Hamburger. I
gangli simpatici e la teoria neurotrofica. Meccanismi di morte cellulare
dopo deprivazione di fattori neurotrofici. Signalling di NGF.
Espressione ed azioni dei fattori neurotrofici a livello di sistema
nervoso centrale. Esperimenti su topi transgenici overesprimenti Bcl-2.
Possibili meccanismi di segnalazione retrograda delle neurotrofine nei
neuroni simpatici. I fattori trofici anterogradi: esperimenti nel sistema
visivo. Effetti anterogradi di BDNF. Ruolo dei fattori neurotrofici nelle
patologie neurodegenerative.
Segregazione occhio-specifica nel nucleo-genicolato laterale.
Traccianti anterogradi. Attività spontanea delle cellule gangliari
embrionali. Registrazione delle “retinal waves”: ruolo delle cellule
amacrine colinergiche. Blocco dell’attività spontanea ed effetto sulla
segregazione nel genicolato. Le colonne di dominanza oculare:
sviluppo. Sviluppo funzionale della corteccia: effetto dell’allevamento
all’oscuro e dell’arricchimento ambientale. Effetti dell’esperienza
sull’organizzazione tonotopica della corteccia acustica.
Effetti della deprivazione monoculare sulle colonne di dominanza e sulle
arborizzazioni talamo-corticali. Le classi di dominanza oculare.
Elettrofisiologia della corteccia visiva: effetti della deprivazione sensoriale.
Il periodo critico. Meccanismi hebbiani nella plasticità: esperimenti di
silenziamento della corteccia visiva con muscimolo. Ruolo delle
neurotrofine nella plasticità: effetti sulle connessioni talamo-corticali e sui
circuiti intracorticali. Esperimenti in topi transgenici overesprimenti BDNF.
Meccanismi di regolazione del periodo critico nella corteccia visiva: ruolo
dell’inibizione GABAergica e delle reti perineuronali. Plasticità nella
“barrel cortex”: depressione sinaptica dopo whisker trimming. Esperimenti
di glutamate uncaging. Plasticità nel tetto ottico del barbagianni:
esperimenti di Knudsen. Modifica delle mappe nel collicolo inferiore del
barbagianni. Effetti a lungo termine dell’esperienza precoce. Tracce
dell’esperienza precoce nei circuiti neurali. Spine dendritiche e plasticità.
Cure materne: effetti a lungo termine sullo stress e meccanismi
epigenetici.
Testi consigliati
Sanes, Reh, Harris, Developmant of the nervous system, Academic
Illustrazione di
eventuali attività di
laboratorio e/o
esercitazioni
Modalità di
svolgimento delle
prove d’esame
Propedeuticità
esame orale
Conoscenze richieste Biologia dello sviluppo, Biologia molecolare, Anatomia