Geni e Comportamento

Geni e
Comportamento
Geni, mutazioni e molecole alla
base del comportamento animale
L’evoluzione dell’apprendimento
e della memoria
  Una delle funzioni più antiche del
sistema nervoso centrale è
accoppiata alla integrazione degli
stimoli sensoriali e riguarda la
capacità di apprendere e ricordare
  Le informazioni provenienti dal
mondo esterno e da quello interno
vengono acquisite attraverso
l’apprendimento
  L’immagazzinamento di queste
informazioni per un uso futuro
costituisce la memoria
L’acquisizione della
memoria
 Questo processo coinvolge
essenzialmente 2 tipi di
modificazioni al livello del
SNC:
 Vie molecolari di
elaborazione delle
informazioni a livello di ogni
singolo neurone
 Cambiamenti relativi al modo
in cui le cellule nervose
interagiscono tra di loro
Tipi di memoria
 La Memoria Implicita (non
dichiarativa) riguarda le risposte
neuromuscolari agi stimoli
ambientali
 La Memoria Esplicita
(dichiarativa) coinvolge il ricordo di
immagini mentali astratte a
proposito di soggetti, di eventi o di
informazioni apprese
Memoria implicita nella
lumaca di mare
  Modello ideale per lo studio della
memoria implicita (si veda lo studio del
premio Nobel Eric R. Kandel) attraverso
l’osservazione delle modificazioni nella
risposta a stimoli esterni sulla base
dell’esperienza.
  Quando la branchia dorsale viene colpita
con un getto d’acqua questa si ritrae
velocemente, attraverso un tipico
esempio di comportamento riflesso: le
fibre nervose comunicano direttamente
con quelle muscolari
Assuefazione
  Stimoli ripetuti -> graduale disattivazione
del canale per il calcio -> diminuzione nel
rilascio del neurotrasmettitore ->
diminuzione della risposta allo stimolo
sensoriale.
  La assuefazione sparisce dopo pochi minuti
(memoria a breve termine)
  Se gli stimoli sono prolungati per molto
tempo l’assuefazione può rimanere anche
per una settimana (memoria a lungo
termine)
  Cambiamento della concentrazione di
calcio all’interno di un neurone VS
modificazioni nei contatti tra cellule nervose
Sensibilizzazione
  E’ un incremento della risposta agli
stimoli che si verifica quando questi sono
preceduti da sollecitazioni sgradevoli
Durata della
sensibilizzazione
  Breve o Lungo termine
Le due vie della facilitazione
Comportamenti complessi
in Drosophila
  C. elegans possiede 302 neuroni, Aplysia
circa 20.000, la Drosophila nepossiede
circa 200.000
  Le tipologie di neuroni sono sempre 3:
neuroni sensori, interneuroni e
motoneuroni.
  In Drosophila c’è un significativo
aumento degli interneuroni ->
potenziamento delle strutture di
integrazione ed elaborazione.
Addestramento della
Drosophila
 
Seymour Benzer, presso il California Institute of
Technology utilizzò un ambiente sperimentale
costituito da un tubo alla cui estremità era
presente una sorgente luminosa.
 
Presso la sorgente luminosa era installata una
griglia metallica capace di provocare piccoli
shock elettrici
 
La griglia era cosparsa di una sostanza odorosa
tipica.
 
Dopo diverse sessioni di addestramento i
moscerini imparavano a stare lontani dalla
sorgente luminosa (quando era presente
l’odorizzante) anche in assenza di Shock elettrico
 
Attività del corpo fungino del cervello
I mutanti “dunce”
  Riuscì a selezionare dei mutanti incapaci
di “imparare”
  Ricordavano “l’avvertimento” solo per
pochi minuti dopo la stimolazione
negativa, ma subito dopo dimenticavano
quanto appreso.
  I mutanti dunce non hanno memoria a
breve termine e conseguentemente
nemmeno quella a lungo termine
  Non hanno altri handicap fenotipici che
possano spiegare la cosa (sono capaci di
“sentire” l’odorizzante, non hanno
malformazioni fisiche, etc…)
Anomalie comportamentali
dei mutanti dunce durante
l’accoppiamento…
  L’accopiamento nella Drosophila è
preceduta dal corteggiamento, in cui la
femmina può manifestare o meno
l’intenzione di accoppiarsi.
  I mutanti dunce non riescono a percepire
i segnali “negativi” forniti dalle femmine
non disponibili (come ad esempio quelle
già gravide)
  Il mutante dunce non riesce a mettere in
relazione il feromone “repellente” con la
indisponibilità della femmina, ma questa
sua incapacità non è dovuta alla mancata
ricezione dello stimolo chimico
L’identità del gene dunce
  Nel 1980 si scopri che il gene mutati nei
maschi “dunce” è una fosfodiesterasi (PDE)
  E’ un enzima coinvolto nella regolazione dei
livelli di cAMP
  Il cAMP è una molecola molto utilizzata in
un gran numero di processi (non solo
relativi al sistema nervoso)
  Drosophila possiede 3 diversi geni per PDE,
ma solo uno è mutato nei maschi dunce
  Il gene mutato è la isoforma, tessuto
specifica, attiva nel corpo fungino del
cervello.
Il gene rutabaga
  Il gene “rutabaga” è stato identificato
come mutato in moscerini che
presentano lo stesso fenotipo dei maschi
dunce
  Il gene codifica per un enzima della via
biosintetica del cAMP
  Quindi in questo caso il secondo
messaggero non viene sintetizzato a
dovere, i suoi livelli rimangono bassi
anche in seguito a stimolazione
  Compromessa la memoria a breve
termine e conseguentemente quella a
lungo termine
I mutanti di Drosophila
La Memoria Esplicita
  E’ presente negli animali più evoluti
  Implica la capacità di evocare immagini
mentali
Short term –>Long term
Consolidamento
  Che succede quando un ricordo viene
richiamato? La registrazione viene
lasciata inalterata o viene modificata
(SAVE AS) ?
recall
SAVE
Studi molecolari sul
consolidamento
  Il consolidamento richiede entrambi i due
processi di:
  Trascrizione (che può essere bloccata da
actinomycin D)
  Traduzione (che può essere bloccata da
inibitori della sintesi proteica come
l'antibiotico anisomycin).
  Alcuni geni, necessari per l’acquisizione
della memoria a lungo termine sono
necessari anche nel consolidamento, altri
sono tipici del consolidamento (es. Zif268
(EGR1).
  Uno studio effettuato da Lee, pubblicato su
Science nel 2004, fornisce forti evidenze sul
consolidamento della memoria richiamata
nei ratti.
Studi di risposta
condizionata
  un singolo shock elettrico al piede
costituisce lo stimolo incondizionato (US)
  l'ambiente in cui il ratto viene inserito
costituisce lo stimolo condizionato (CS)
  "l'immobilizzarsi" del ratto costituisce la
risposta (paura) condizionata (CR)
  Memoria a breve termine (dopo 3 ore)
  Memoria a lungo termine (24 ore) (test 1)
Studi di risposta
condizionata
Nello studio di Lee i ratti sono stati divisi in
2 gruppi:
1.  ratti trattati con inibitori della
espressione genica (actinomycin D e
anisomycin) dopo il test 1.
2.  ratti in cui l'espressione del fattoe di
trascrizione Zif268 è stata inibita
attraverso un antisenso fornito subito
prima del test 1.
Dopo altre 24 ore i ratti vengono testati di
nuovo nella stessa camera, anche
questa colta senza sottoporli a shock
(Test 2)
Risultati del Test 2
Trattamento
prima del test1
Esito del test 1
Trattamento
dopo il test 1
Esito del test 2
conclusioni
Nessuno
freezing
actinomycin
NO freezing
Richiede
trascrizione
Nessuno
freezing
anisomycin
NO freezing
Richiede
traduzione
Nessuno
freezing
placebo
freezing
controllo
Zif268 antis.
freezing
nessuno
NO freezing
Non ostacola il
richiamo ma
ostacola il
consolidamento
Placebo
freezing
nessuno
freezing
controllo
Zif268 antis.
Non fatto
nessuno
freezing
I ratti non
perdono la
memoria che non
è stata richiamata
Ritmi circadiani
 
Tutti gli eucarioti, così come alcuni procarioti, mostrano cambiamenti
nella attività di regolazione genica, nella biochimica, nella fisiologia e
nel comportamento che si alternano ciclicamente seguendo
l'avvicendarsi del giorno e della notte.
 
Nell'uomo i livelli dell'ormone melatonina si innalzano durante la
notte e si abbassano durante il giorno.
 
La Drosophila melanogaster schiude la propria larva
preferenzialmente al tramonto
 
sempre in Drosophila l'attività locomotoria è più marcata subito dopo
l'alba e poco prima del tramonto.
 
Ma il comportamento ciclico viene mantenuto anche quando
l'organismo è posizionato in condizioni costanti (come ad esempio
oscurità permanente), anche se in questi casi il ciclo diventa via via
più corto o più lungo del solito.
L’orologio circadiano in
Drosophila
  Questo meccaismo è, in Drosophila,
regolato da 2 classi di geni
  I geni effettori, che materialmente si
occupano della modificazione
comportamentale
  I geni dell’orologio, che regolano se
stessi ed i geni effettori in maniera
ciclica
Konopka e Benzer
I geni dell’orologio
  Due geni sono particolarmente
importanti nel meccanismo in questione:
 PERIOD (per)
 TIMELESS (tim)
  Questi 2 geni sono regolati dai prodotti
proteici di altri 2 geni:
Mutanti:
perl-> 28,5 ore
pers-> 19,5 ore
per0-> aperiodici
 CLOCK (clk)
 CYCLE (cyc)
Eventi Molecolari
Eventi ciclici
Regolazione dell’orologio
  Anche in assenza di stimoli ambientali
(alternanza giorno notte) il ciclo si
mantiene, anche se gradualmente si
sfasa.
  Sotto condizioni naturali i cicli rimangono
perfettamente sincronizzati:
  Esistono degli stimoli ambientali che
influenzano il sistema sincronizzandolo
Il criptocromo
  I criptocromi sono proteine omologhe di
una classe di enzimi di riparazione del
DNA chiamate fotoliasi.
  Le fotoliasi vengono attivate dalla luce blu
e dagli ultravioletti e contengono due
pigmenti fotoattivi associati:
  una pterina (che funge da antenna)
  una flavina (che riceve energia dalla
pterina)
Funzionamento del
criptocromo
  La luce è assorbita dal criptocromo che
cambiando conformazione diventa
capace di legare TIM e PER
  Il legame col criptocromo favorisce la
degradazione di TIM e PER
  Se questo accade quando il livelli di PER/
TIM stano aumentando (tardi durante il
giorno), porta indietro l'orologio.
  Se questo accade quando il livelli di PER/
TIM stano diminuendo (tardi durante la
notte), porta l'orologio avanti.