Corso di Laurea: LM in Biologia Applicata alla Biomedicina, corso condiviso con altri corsi di
LM
Nome del corso: Sviluppo e differenziamento del sistema nervoso
Responsabile del corso
Altri docenti
Numero di CFU
Lezioni frontali
Laboratori
Esercitazioni
Obiettivi formativi del
corso
Robert Vignali
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Contenuti
Il corso si propone di illustrare le modalità con cui si sviluppa il sistema
nervoso centrale (SNC), con particolare riguardo ai vertebrati. Vengono
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 e alla crescita e navigazione degli assoni.
Risultati attesi
Acquisizione delle informazioni essenziali sullo sviluppo del sistema nervoso
e sulle modalità con cui questa problematica viene affrontata in vari sistemi
modello.
Il bagaglio culturale acquisito sarà sufficiente per attività post-lauream
indirizzate verso una professione presso centri di ricerca di base e applicata,
in centri di promozione e sviluppo dell'innovazione scientifica e tecnologica,
in ambiti correlati con le discipline biomolecolari e biomediche.
Scopo del Corso nell’ambito del Corso di Laurea
L’importanza del corso è di fornire le nozioni essenziali di come il sistema
nervoso sia costruito durante lo sviluppo, necessarie anche alla comprensione
della sua complessità anatomica e funzionale.
Argomenti trattati nelle 1. Fasi iniziali dello sviluppo del sistema nervoso: formazione della
lezioni frontali
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 (richiami).
2. Concetti di 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 attivazione-trasformazione.
3. Esperimento di Eyal-Giladi e la dimostrazione del modello di
attivazione-trasformazione. Xenopus come sistema modello.
Screening funzionale di attività genetiche dell'organizzatore:
l'isolamento di noggin e chordin: espressione e effetti biologici di
noggin e chordin. Vie di trasduzione del segnale dei fattori TGFbeta. Evidenza che segnali attivi simili a TGF-beta inibiscono il
differenziamento neurale.
4. 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. 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.
5. 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: Dickkopf e
Freezbee. Cerberus, un gene che promuove lo sviluppo della testa.
6. Cerberus ed il modello della tripla inibizione: dimostrazione
dell'attività anti-wnt e anti-BMP. Insulin-like growth factors
nell'induzione delle regioni rostrali del SNC. Zebrafish come
sistema modello per l'analisi dello sviluppo del sistema nervoso: il
mutante chordino.
7. Il topo come sistema modello di mammifero per l'analisi dello sviluppo
del sistema nervoso. 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.
Espressione e ruolo di Otx2.
8. Conservazione evolutiva della funzione Otx/otd; il gene otd di
Drosophila recupera gli effetti del knock-out di Otx2.
Conservazione evolutiva della funzione Otx/otd; 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
9. 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.
10. Organizzazione segmentale e compartimentalizzazione del
romboencefalo. Esperimenti di cell lineage e di trapianto di
rombomeri. Geni coinvolti nella segmentazione e nella
specificazione dei rombomeri: Krox-20 e Kreisler.
11. Effetti della inattivazione funzionale o della espressione ectopica di tali
geni: esempio di Hoxb1.
12. 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.
13. Organizzazione dorso-ventrale del tubo neurale: lamina basale ed alare;
lamina del pavimento (floor plate) e lamina del tetto (roof plate).
Patterning dorso-ventrale: 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.
14. Azione dorsalizzante della "roof plate". Fattori TGFbeta prodotti dalla
"roof plate". 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. Azione dorsalizzante della "roof plate": fattori Wnt1 e
Wnt3a. 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.
15. 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. Combinazioni di fattori di
trascrizione e specificazione dei pool di motoneuroni spinali.
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. Geni
proneurali e neurogenici. Fenomeni di inibizione laterale nei
clusters proneurali: Delta e Notch. Geni proneurali e neurogenici.
Conservazione dei geni proneurali e neurogenici nei vertebrati.
16. Fenomeni di inibizione laterale nei clusters proneurali: Delta e Notch.
Via di trasduzione del segnale Delta-Notch. fattori CSL, Hes e
fattori bHLH. 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. Azione generale dei fattori bHLHL nel
midollo spinale e nel telencefalo per la specificazione neuronale.
Geni Zic e Sox e la risposta all'induzione neurale. 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.
17. Geni coinvolti nella specificazione del campo morfogenetico
dell'occhio: Pax6 e Rx1. Meccanismi molecolari di specificazione
retinica: ath5 e lo sviluppo delle cellule gangliari. Knock-out di
Math5 in topo ed esperimenti di lipofezione in Xenopus. BH1
come fatttore homeobox nello sviluppo gangliare. Otx2 e Otx5
(Crx) e la specificazione dei neuroni bipolari e dei fotorecettori.
Caratteristiche molecolari della struttura di Otx2 e Otx5 rilevanti
per la loro azione nella retina di Xenopus.
18. Meccanismi molecolari di controllo del timing retinogenetico.
Controllo della traduzione di mRNA chiave per il commitment dei
neuroni retinic in Xenopus.
19. Ruolo di specifici microRNA nella regolazione della traduzione di
mRNA chiave (Xotx2, Xvsx1) per la specificazione dei neuroni
bipolari. Istogenesi del sistema nervoso: divisioni cellulari e
istogenesi nel midollo spinale. Organizzazione pseudostratificata
del neuroepitelio, ciclo cellulare e migrazione intercinetica dei
nuclei nel neuroepitelio. Istogenesi della corteccia cerebrale.
Esperimenti di "birthdating" dei neuroni corticali. Modello di
costruzione "inside-out" della corteccia. Le cellule della glia
radiale ed il loro significato. Zona ventricolare e subventricolare.
Formazione della corteccia cerebrale: migrazione dei neuroni
piramidali. Migrazione tangenziale dei neuroni GABAergici: ruolo
di Dlx1 e Dlx2. Istogenesi della corteccia cerebellare.
20. Crescita dell'assone. Aspetti generali della struttura del cono di crescita.
Ruolo del citoscheletro (filamente di actina e microtubuli);
lammllipodi e filopodi. Molecole coinvolte nell'estensione
assonale. Chemioattrazione e chemiorepulsione, a distanza e da
contatto. Principali classi di molecole e recettori coinvolti nella
navigazione. CAM, fascicline, matrice extracellulare, integrine.
(generalità). Ruolo delle netrine e dei loro recettori. Semaforine,
plexine e neuropiline. Mutanti commissureless e roundabout in
Drosophila; fenomeni di repulsione mediati da Slit e Robo nei
vertebrati. Il caso degli assoni commissurali come paradigma.
Morfogeni che influenzano l'estensione assonale (cenni su Wnt e
Shh).
L’esperimento di Sperry. Formazione di mappe topografiche nel tetto ottico.
Esperimenti di “stripe-assay” ed estensione degli assoni retinici. Espressione
delle efrine e dei loro recettori in retina e tetto ottico. Proiezioni retinocollicolari in topi knockout per le efrine.
Attività di laboratorio
Non previste
Esercitazioni
Non previste
Materiale didattico
consigliato
Testi di riferimento
1 – Sanes, Reh, Harris, Lo sviluppo del sistema nervoso, Zanichelli, 2013
Articoli scientifici originali
Banche dati
Altro
Power Point delle lezioni
Modalità di
svolgimento delle
Orale
prove di esame
Propedeuticità (indicare
solo se previste dal
Regolamento)
Conoscenze richieste
Biologia dello sviluppo, Anatomia
