Altri docenti Numero di CFU Lezioni frontali Laboratori Esercitazioni Obiettivi formativi del corso. Contenuti

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1 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 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. Argomenti trattati nelle lezioni frontali 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. 1. 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 (richiami).

2 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

3 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 Hoxb 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

4 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

5 delle efrine e dei loro recettori in retina e tetto ottico. Proiezioni retinocollicolari in topi knockout per le efrine. Attività di laboratorio Esercitazioni Materiale didattico consigliato Non previste Non previste Testi di riferimento 1 Sanes, Reh, Harris, Lo sviluppo del sistema nervoso, Zanichelli, 2013 Articoli scientifici originali Banche dati Modalità di svolgimento delle prove di esame Propedeuticità (indicare solo se previste dal Regolamento) Conoscenze richieste Altro Power Point delle lezioni Orale Biologia dello sviluppo, Anatomia