Prof. Marco Ruggiero
Titolo del Progetto relativo all’Assegno di Ricerca
STUDI SUI GENI CHE CONTROLLANO L'ONTOGENESI DEL CERVELLO
DELL’UOMO E DEI PRIMATI NON UMANI
- Abstract
Le conoscenze del genoma e lo sviluppo dell‟embriologia sperimentale hanno apportato nuovi
strumenti cognitivi allo studio della morfogenesi. I geni Homeobox scoperti nei primi anni „80 in
Drosophila melanogaster, regolano vari aspetti della morfogenesi degli organismi pluricellulari, sia
animali che vegetali.
Sono 8 i geni Homeobox (OTX1, OTX2, EMX1, EMX2, PHOX2a, PHOX2b, MEIS1 e MEIS2)
presi come case studies per cercare di capire in che modo la loro espressione regoli la formazione e
la crescita di alcune regioni cerebrali umane e degli altri Mammiferi. Attraverso la ricostruzione
prima della sequenza nucleotidica e successivamente di quella amminoacidica per ognuno degli 8
geni esaminati, si cercano differenze e similitudini che possano aiutarci a capire la funzionalità di
questi geni nell‟Uomo, in confronto con altre 4 specie di Primati (scimpanzé, gorilla, macaca e
marmoset). Obbiettivo della ricerca è quello di capire geneticamente le differenze cerebrali fra
Uomo e Primati non umani evolutivamente simili, e quelle fra l‟Uomo e tutti gli altri Mammiferi. In
particolari situazioni, inoltre, questi geni vanno incontro a mutazioni e queste possono causare
l‟insorgenza di tumori cerebrali, quali medulloblastoma e neuroblastoma, e di altre patologie
cerebrali infantili. Le informazioni raccolte sul funzionamento di questi e di altri geni Homeobox
per lo sviluppo dell‟encefalo umano, forniranno inoltre la possibilità di identificare e caratterizzare
alcuni dei loro mutanti coinvolti nell‟insorgenza di differenti patologie cerebrali infantili e di
correlare le alterazioni genetiche con queste condizioni patologiche.
Lo studio comparativo di queste sequenze dovrebbe individuare nuove frontiere sulla origine della
“sapientizzazione” umana, e dare risposte alla variabilità intellettiva nella nostra specie.
Introduzione
Perchè usare i geni Homeobox come strumento di ricerca?
I primi stadi dello sviluppo embrionale sono controllati da varie famiglie di geni particolari,
chiamati Homeobox, che regolano la disposizione delle varie parti del corpo lungo il suo asse
principale. Edoardo Boncinelli, lo studioso italiano che li scoprì per la prima volta nella Drosophila
melonogaster, li definì "geni-architetto" perché tracciano il progetto generale della “casa”.
Controllano cioè che la testa stia al suo posto, il collo stia al suo posto fra la testa e il torace, che il
torace stia fra il collo e l‟addome e così via. Si tratta di geni regolatori, che controllano l‟attività di
altri geni che fungono da "esecutori".
La nostra attenzione si è focalizzata sui geni regolatori che controllano la formazione della testa e
delle varie regioni del cervello umano. I geni che controllano lo sviluppo del cervello in tutti gli
organismi superiori compreso l‟uomo appartengono alle famiglie di geni MEIS, PHOX, EMX e
OTX. Con questo progetto ci proponiamo di studiare questi geni nell‟uomo e di cercare di
comprenderne la loro funzione nel corso dell'evoluzione del cervello umano e dei primati non
umani filogeneticamente affini all'uomo. Questi geni, presentano due particolarità. La prima, è che
sono presenti in tutti gli organismi viventi, animali e piante. La seconda è quella di essere simili fra
di loro e per questo vengono anche chiamati geni totipotenti in quanto durante le primissime fasi
dello sviluppo embrionale essi operano in modo identico in tutti gli organismi viventi e solo in un
secondo momento si differenziano. Un po' come le cellule staminali, nel momento in cui veniamo
concepiti, non siamo altro che un insieme di cellule tutte uguali, e solo in secondo momento queste
cellule si differenziano in cellule muscolari, nervose, epidermiche, etc. La stessa cosa vale per
questi geni, infatti durante le primissime fasi dello sviluppo embrionale, siamo tutti più o meno
uguali. Quello che vorremmo cercare di studiare, è cosa succede immediatamente dopo e grazie al
quale si ottiene il differenziamento. Cercare di comprendere a livello di questi geni, le differenze
prima a livello nucleotidico, e poi a livello amminoacidico, fra le diverse specie di animali prese in
esame (Homo sapiens, Pan troglodytes, Pongo pgmaeus, Macaca mulatta e Callithrix jacchus), può
farci risalire geneticamente al meccanismo che si è attivato affinchè si avesse quel salto quantitativo
della massa cerebrale avvenuto nell'uomo e soprattutto comprendere perchè questo aumento del
cervello si è avuto nella specie umana e non in altre specie animali viventi. Creare dunque una sorta
di mappa “stradale” del cervello umano da un punto di vista genetico, che ci consenta di saper
individuare le differenze a livello proteico fra il cervello dell'uomo e quello dello scimpanzè, del
gorilla, della macaca e della marmoset.
Riprendendo gli studi di Boncinelli e adattandoli allo studio prettamente antropologico del cervello,
abbiamo visto come molto interessante era il modo con cui questi geni si attivano nel cervello
embrionale. I domini spaziali della loro attività vengono infatti rappresentati da quattro regioni che
risultano contenute l‟una dentro l‟altra. La più ampia di queste comprende l‟intero cervello
embrionale costituito dal telencefalo, dal diencefalo e dal mesencefalo. Questa regione termina
posteriormente esattamente dove il cervello vero e proprio confina con il cervelletto.
In questa ampia regione è attivo il primo degli 8 geni oggetto di questo progetto: il gene OTX2, che
è anche il primo ad entrare in azione durante lo sviluppo embrionale. La regione dove è attivo
OTX1 è invece interna al dominio di attività di OTX2 e quella dove è attivo EMX2 risulta sua volta
interna a quella di OTX1. EMX1 che durante lo sviluppo embrionale è l‟ultimo degli otto geni a
entrare in funzione, è invece attivo nella regione più ristretta che comprende la parte dove si
formerà la futura corteccia. I domini d‟azione risultano quindi contenuti l‟uno dentro l‟altro come
un sorta di scatole cinesi. L‟ordine con il quale questi geni si accendono è: OTX2 > OTX1 > EMX2
> EMX1. Una menzione a parte meritano i geni delle famiglie MEIS e PHOX, essendo geni
regolatori di trascrizione, verranno utilizzati in questo programma di ricerca come geni di confronto
con i geni delle famiglie Otx e Emx, dal momento che anche essi svolgono un ruolo curciale nello
sviluppo di alcure aree cerebrali umane immediatamente dopo il differenziamento cellulare. Quali
sono allora le loro funzioni? Il primo gene, OTX2, che si attiva molto precocemente durante lo
sviluppo embrionale, controlla la formazione della testa e determina la regione del cervello vero e
proprio, distinto dal cervelletto e dal midollo spinale. Il secondo gene, OTX1, che agisce quando
OTX2 ha già sviluppato parte delle sue funzioni, suddivide ulteriormente il futuro cervello.
Altrettanto fa EMX2, fino a che non interviene EMX1 che completa l‟opera determninado la
corteccia cerebrale, considerata l‟ultima acquisizione dei mammiferi in termini evolutivi. E‟ la
regione con la quale pensiamo, vediamo, ascoltiamo, ricordiamo e creiamo. Sul ruolo di EMX1 si
sa ancora molto poco, invece molto di più si sa su EMX2. La sua azione è richiesta per il corretto
sviluppo della corteccia cerebrale ed è addirittura indispensabile per lo sviluppo dell‟ippocampo.
Tutto questo vale anche per l‟Uomo. Da recenti studi di Acampora e Simeone è stato provato che il
corredo cromosomico di individui portatori di un difetto congenito della corteccia chiamato
schizoencefalia presentano una mutazione nel gene EMX2. Questo gene gioca un ruolo importante
anche nella determinazione di quanta parte della corteccia cerebrale diventerà anteriore, e quanta
posteriore. Su topi privi di EMX2, ad esempio, la corteccia frontale si presenta espansa, a danno di
quella posteriore.
Da analisi di laboratorio, si è visto come embrioni di topo privi del gene OTX2 non hanno testa e il
loro sviluppo si arresta a metà gestazione. Embrioni di rana invece nei quali questo gene è al
contrario attivo in una regione più ampia di quella che gli dovrebbe competere, presentano una forte
espansione della testa e una drastica riduzione del tronco.
Sembra quindi che OTX2 giochi un ruolo essenziale per lo sviluppo della testa in tutti i vertebrati.
Cosa succede invece negli insetti? Da studi effettuati da Boncinelli e Gehring (1980) su animali
molto primitivi come le Planarie, che si ritiene stiano all‟inizio della comparsa della simmetria
bilaterale, è stato provato che il gene OTX2 esiste e controlla lo sviluppo della testa. Questo
significa che nell‟evoluzione, non appena si è distinto una testa da un tronco, c'è stato un gene della
famiglia di OTX2 che è entrato in azione.
Questo rappresenta una nozione nuova. In molti libri di testo si legge infatti che la testa è stata
un‟invenzione evolutiva realizzatasi diverse volte indipendente nei fila animali. I dati filoontogenetici che potremmo ottenere da questo ricerca, insieme ai dati medico-biologici finora
ottenuti da Boncinelli e Walter Gehring potranno invece confermare che grandi invenzioni ripetute
durante l‟evoluzione non ce ne sono state e che certe strutture sono state inventate una volta sola, e
non molte volte in maniera indipendente. La testa è non è stata quindi un‟invenzione evolutiva
realizzatasi diverse volte e in maniera indipendente nei vari tipi di animali. Rimane da capire
quando e cosa sia successo a livello genetico che ha fatto si che le dinamiche di questa invenzione,
unica per tutti durante le primissime fasi della gestazione embrionale, si differenziasse nelle ore
successive, di specie in specie. Adesso ci si può chiedere: questi geni possono essere stati alla base
dell‟evoluzione dei Primati e poi dell‟uomo vista la progressiva espansione della corteccia frontale
che si è avuta lungo il corso dell‟evoluzione?
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- Descrizione del progetto
L‟identificazione di possibili analogie e differenze quantitative a livello di nucleotidi per ogni gene
Homeobox analizzato (Otx1, Otx2, Emx1, Emx2, Meis1, Meis2, Phox2a e Phox2b), fornirà dati
idonei per una comparazione di tutti i profili di espressione dei geni considerati. L'espressione delle
proteine codificate dai geni delle famiglie di OTX, EMX, MEIS e PHOX che presentano differenze
amminoacidiche nella sequenza dei domini funzionali, la caratterizzazione dei gruppi di geni da
esse regolate e l'identificazione di proteine in grado di interagire con le varie forme, potrà aiutare a
capire se le differenze funzionali esistenti tra le proteine di diversa origine filogenetica possano
giustificare il loro diverso comportamento nel corso dell'evoluzione del cervello dell'uomo e delle
antropomorfe. Inoltre, dal momento che alcuni tipi di tumori cerebrali quali medulloblastoma e
neuroblastoma presentano mutazioni nello zone di sviluppo dei geni da noi studiati, attraverso la
sperimentazione clinica sulle cellule tumorali si procederà allo studio delle sequenze comparative,
avendo cosi una idea più chiara delle regioni che sono coinvolte nel vari settori di accrescimento
delle regioni cerebrali e quindi delle eventuali anomalie.
- Attività di ricerca da svolgere
Analisi comparativa delle sequenze note dei geni Otx1, Otx2, Emx1, Emx2, Meis1, Meis2, Phox2a
e Phox2b, per le specie Homo sapiens, Pan troglodites, Pongo pigmaeus, Macaca mulatta e
Callithrix jacchus. Programmi di predizione di struttura terziaria delle proteine codificate dai geni
verranno utilizzati per valutare la conservazione strutturale di domini specifici al fine di analizzare
in maggior dettaglio se alle differenze in sequenza nucleotidica e/o amminoacidica primaria
corrispondono differenze in conformzione tale da giustifiare particolarità funzionali. A questa prima
fase seguirà l'approccio sperimentale vero e proprio finalizzato all'espressione delle proteine (o parti
di esse) codificate dai geni per i quali è stata identificata una differenza significativa. A questo
proposito cellule staminali embrionali della linea BG01 o/e di cellule di neuroblastoma verranno
trasfettate e il pattern di targets molecolari verrà valutato mediante tecniche di biologia molecolare e
biochimica. Le metodiche di analisi per valutare i pattern di targets molecolari utilizzeranno i
RAPDs,l'analisi di sequenze del gene mitocondriale citocromo ossidasi e l‟ibridazione in situ
fluorescente (FISH) su sezioni istologiche per la rilevazione di specifiche anomalie cromosomiche.
La FISH è una analisi di citogenetica molecolare che ha acquisito in questi ultimi anni
un‟importanza crescente, soprattutto in ambito oncologico, per la sua versatilità e la sua
applicabilità e riproducibilità nella routine diagnostica. Al momento la FISH interfasica rappresenta
la tecnica di elezione per la ricerca di un numero crescente di aberrazioni cromosomiche e
alterazioni geniche con note applicazioni diagnostiche, prognostiche e terapeutiche, su tessuti
processati per la diagnosi istopatologica classica, offrendo la singolare opportunità di osservare il
dato genetico direttamente nel contesto morfologico. L‟analisi FISH su sezioni istologiche, poiché
identifica alterazioni a carico di specifiche regioni cromosomiche e geniche, è un test genetico e
come tale sarà eseguito, valutato e refertato secondo le indicazioni delle Linee Guida dell‟Istituto
Superiore di Sanità sui test genetici (CNBB, ISS Linee Guida test genetici, maggio 1998,
www.iss.it). Va inoltre sottolineato che l‟indagine FISH su preparato istologico è il risultato dell‟
integrazione tra la valutazione genetica e quella morfologica e presuppone quindi la sinergia tra
figure professionali diverse: il genetista e l‟anatomo-patologo. Le principali applicazioni della FISH
interfasica in ambito oncologico saranno dunque finalizzate alla caratterizzazione molecolare dei
tumori solidi e all‟identificazione di specifiche alterazioni citogenetiche in un appropriato contesto
clinico. Oggi, le più comuni applicazioni sono: la determinazione dell'amplificazione di HER-2/neu
nel carcinoma della mammella e di EGFR nel carcinoma del polmone, la delezione 1p/19q nei
gliomi, l‟identificazione di specifiche traslocazioni associate a neoplasie ematologiche, a neoplasie
delle parti molli e ad alcuni tumori pediatrici quali medulloblastoma e neuroblasotoma, come nel
nostro specifico caso di interesse. La crescente disponibilità di farmaci mirati verso target biologici
specifici lascia supporre un incremento futuro nell‟impiego routinario di questa tecnologia.
Unitamente a ciò, per lo studio della funzione delle proteine verrà usato anche il clonaggio di
espressione. Verrà clonato il DNA per ciascuna proteina di interesse, (tramite PCR e/o enzimi di
restrizione) in un plamisde. Questo plasmide avrà promotori speciali che porteranno alla produzione
della proteina di interesse, per facilitare lo studio delle dinamiche del plasmide. Per verificare infine
quando e quanto il gene viene espresso verrà usato il Northern blot, comunemente usato per studiare
l'espressione di specifiche molecole di RNA da specifici campioni in comparazioni relative. In
questo processo, l'RNA verrà separato in base alle dimensioni e poi trasferito ad una membrana che
verrà sondata con una sequenza complementare marcata alla sequenza di interesse per ogni singolo
gene esaminato. L'espressione della proteina come proteine di fusione con tag specifiche dunque, ne
permetterà l'uso in vitro per studi di interazione molecolare.
-
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Abstr. Number CDB269 http://pag.ias2011.org/abstracts.aspx?aid=2401
e-poster: http://pag.ias2011.org/EPosterHandler.axd?aid=2401
Firenze, 27 Ottobre 2011-10-28
Marco Ruggiero
