Chi siamo? Siamo tutti grandi faringule generate da un Organizzatore di Spemann-Mangold (SMO) su suggerimento di un Centro di Nieuwkoop (NC)

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1 Finalmente una risposta convincente a una delle domande che turba la nostra esistenza: Chi siamo? Siamo tutti grandi faringule generate da un Organizzatore di Spemann-Mangold (SMO) su suggerimento di un Centro di Nieuwkoop (NC) 1

2 appena dopo la gastrulazione 1) EMBRIONE FORMATO DA 3 FOGLIETTI EMBRIONALI 2) TUBO NEURALE SI FORMA DA NEUROECTODERMA SU INDUZIONE NOTOCORDALE 3) IL MESODERMA LATERALE ALLA NOTOCORDA DEVE DIFFERENZIARSI

3 INDUZIONE NEURALE Recenti studi hanno dimostrato che alcune molecole implicate nell induzione del mesoderma sono coinvolte anche nell induzione del tubo neurale Nodo primitivo e notocorda rilasciano le molecole nogging, chordin e follistatin con funzione di induttori neurali Era già nota la loro funzione come responsabili della dorsalizzazione del mesoderma (parassiale) L azione di queste 3 molecole come induttori neurali risiede nella capacità di inibire l attività delle proteine BMPs nel lato dorsale dell embrione La soppressione nel posto e al momento giusto delle BMPs, che hanno attività anti-neurale e di ventralizzazione del mesoderma, induce la formazione del tubo neurale L attività biologica di BMPs nell embrione durante la gastrulazione determinerà la derivazione dell epidermide dall ectoderma e la formazione del mesoderma ventrale (mesoderma intermedio e laterale)

4 E noto che: Nogging, chordin e follistatin sono responsabili per la formazione del tessuto neurale anteriore (prosencefalo e mesencefalo) FGF, acido retinoico e WNT-3a sono responsabili dell induzione neurale per la formazione di romboencefalo e midollo spinale Nogging, chordin e follistatin: Induttori neurali e dorsalizzanti del mesoderma Proteine BMPs: funzione antineurale e ventralizzante del mesoderma Il modello dell ectoderma neurale e del mesoderma richiede l azione coordinata nel tempo e nello spazio di più fattori, di cui buona parte ancora ignoti

5 EVOLUZIONE DEI FOGLIETTI EMBRIONALI nell anfibio (Xenopus) 5

6 Gastrulazione e Neurulazione anfibio (movie) 6

7 nell uccello (pollo) 7

8 nel mammifero (uomo) 8

9 Diverse modalità di segmentazione e gastrulazione, ma alla fine i rapporti spaziali tra i foglietti embrionali è molto simile. per fare un embrione di rana basta richiudere un embrione di pollo su se stesso ventralmente 9

10 L evoluzione dell ectoderma - Neurulazione - Formazione del SNC - Derivati della cresta neurale - Sviluppo dell occhio - Epidermide e annessi cutanei 10

11 NEURULAZIONE Una parte dell ectoderma dorsale è specificato a divenire ectoderma neurale e le sue cellule sono distinguibili per il loro aspetto colonnare PLACCA NEURALE Il processo mediante il quale dalla placca neurale per induzione si forma il TUBO NEURALE è detto neurulazione e l embrione che va incontro a queste modificazioni è detto NEURULA Il tubo neurale formerà anteriormente l encefalo e posteriormente il midollo spinale

12 La neurula di anfibio 12

13 FORMAZIONE DEL TUBO NEURALE Esistono 2 modalità principali per convertire la placca neurale in tubo neurale: 1.NEURULAZIONE PRIMARIA le cellule circostanti alla placca neurale istruiscono le cellule della placca a proliferare per formare un tubo cavo 2.NEURULAZIONE SECONDARIA le cellule mesenchimali si uniscono a formare un cordone solido che successivamente si cavita costituendo un tubo. In generale la parte anteriore del tubo neurale si forma per neurulazione primaria mentre la parte posteriore per neurulazione secondaria L INTERO TUBO NEURALE SI FORMA PER UNIONE DI QUESTI DUE TUBI CHE SI SONO FORMATI SEPARATAMENTE Negli uccelli il tubo neurale si forma per neurulazione primaria fino al 28 paio di somiti (anteriore agli arti posteriori) Nei mammiferi la neurulazione secondaria inizia a livello delle vertebre sacrali

14 NEURULAZIONE PRIMARIA Cosa c è alla base di questi cambiamenti? cambiamenti di forma delle cellule dovuti a dinamiche del citoscheletro

15 NEURULAZIONE PRIMARIA Poco dopo la formazione della placca neurale i suoi margini si ispessiscono e si sollevano a formare le PIEGHE NEURALI Al centro della placca compare una DOCCIA NEURALE a forma di U, che divide il lato destro dal lato sinistro dell embrione Possono essere distinti 4 stadi: 1. FORMAZIONE DELLA PIASTRA NEURALE 2. FORMAZIONE DEL SOLCO NEURALE 3. INCURVAMENTO A FORMARE LA DOCCIA NEURALE 4. CHIUSURA DELLA DOCCIA NEURALE

16 Una visione d insieme 16

17 The neural plate folds in stages to form the neural tube. A. Position of the neural plate in relation to the nonneural ectoderm, the mesoderm, and the endoderm. B. Folding of the neural plate to form the neural groove. C. Dorsal closure of the neural folds to form the neural tube and neural crest. D. Maturation of the neural tube and its position relative to the axial mesodermal structure, notochord, and somites (derived from the paraxial mesoderm). (Adapted from Jessell & Sanes, Principles of Neuroscience 4th edition, 2002, E. Kandel editor) 17

18 FORMAZIONE E ASSUNZIONE DELLA FORMA DELLA PLACCA NEURALE La neurulazione primaria suddivide l ectoderma originario in 3 popolazioni cellulari: tubo neurale epidermide cellule della cresta neurale Le cellule del cordomesoderma (e dell endoderma faringeo cefalico) inducono le cellule dell ectoderma soprastante ad assumere una forma colonnare (almeno il 50% dell ectoderma viene compreso nella placca neurale). La placca neurale assume la sua forma per movimenti intrinseci della regione dell epidermide e della placca neurale

19 INCURVAMENTO DELLA PLACCA NEURALE Cellule del punto cardine mediale aderiscono alla notocorda formando un solco. Le cellule MHP cambiano morfologia Questi movimenti sono importanti per assicurare che il tubo neurale si introfletta all interno dell embrione

20 CONVERGENZA DELLE PIEGHE NEURALI In seguito compaiono altre 2 regioni cardine: punti cardine dorso-laterali, ancorate all ectoderma superficiale delle pliche neurali. Queste cellule aumentano in altezza e diventano cuneiformi coinvolgendo actina e tubulina Ectoderma presuntivo si spinge verso la linea mediana dell embrione Placca neurale è ancorata alla notocorda Invaginazione del tubo neurale

21 BMP impedisce la formazione di MHP attraverso la regolazione della polarità apico-basale Nogging, espresso nelle pliche neurali, induce formazione DLHP (espresso in modo transitorio anche dalla notocorda) Nogging lega e inibisce segnale BMP

22 BMP, Nogging, Shh Morfogeni che regolano la corretta formazione di MHP e DLHP BMP inibisce formazione MHP e DLHP Nogging inibisce BMP, favorendo formazione DLHP Shh impedisce formazione di punti cardine precoci Corretta formazione dei punti cardine (costrizione apicale) solo dove sono correttamente regolate le concentraizoni dei morfogeni BMP e Shh

23 CHIUSURA DEL TUBO NEURALE Le pieghe neurali appaiate vengono a contatto a livello della linea mediana e il tubo neurale forma un cilindro chiuso che affonda al di sotto dell epidermide Le cellule nel punto di adesione si mescolano e in alcune specie formano le CELLULE DELLA CRESTA NEURALE: nel pollo queste cellule migrano ad avvenuta chiusura del tubo neurale nei mammiferi a livello della regione cefalica la migrazione inizia quando le pieghe neurali sono ancora sollevate; a livello del midollo migrano a chiusura avvenuta

24 M A M M I F E R I C Nei mammiferi a livello della regione cefalica la migrazione delle cellule della cresta neurale inizia quando le pieghe neurali sono ancora sollevate

25 CONVERGENZA DELLE PIEGHE NEURALI

26 MODALITA DI CHIUSURA DEL TUBO NEURALE

27 CHIUSURA DEL TUBO NEURALE NEL POLLO Nell embrione di pollo il sollevamento e la chiusura del tubo neurale inizia all estremità anteriore nella regione del mesencefalo e prosegue in direzione posteriore e anteriore a cerniera lampo Le 2 estremità aperte del tubo neurale sono il NEUROPORO ANTERIORE e il NEUROPORO POSTERIORE

28 CHIUSURA DEL TUBO NEURALE NEL MAMMIFERO Nei mammiferi la chiusura del tubo neurale inizia in più punti lungo l asse anteroposteriore

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30 Neurulation in human embryos: a a five-somite embryo at Carnegie stage 10;b a ten-somite embryo at Carnegie stage 10; c a ten-somite embryo at Carnegie stage 10 in which the neural tube has closed at the future cervical level. Another initiation site of neural tube closure can be seen at the mesencephalic rhombencephalic junction (lower arrow),whereas the medial walls of the mesencephalon appear to make contact with each other (upper arrow). (From Nakatsu et al. 2000, with permission) 30

31 Closure of the rostral neuropore in pig embryos in three phases: a e the dorsal folds slowly align and then close instantaneously;d f the dorsolateral folds close zipper-like in caudorostral direction; f h the final round aperture closes by circumferential growth. The arrow in a shows the rhombencephalic neuropore; the arrowheads in b and c indicate the optic sulcus. d dorsal fold, dl dorsolateral fold, l lateral fold, rh rhombencephalon, v ventral fold, V, VII, IX, X neural crest swellings, 1 somite 1. (From van Straaten et al. 2000) 31

32 Closure of the caudal neuropore in pig embryos. Closure is initiated fast in the somitic region (a), subsequently stops, and gradually closes zipper-like in caudal direction with increasing closure rate (b d), and stops again (e) before definitive closure (f). Arrowheads indicate raphe where the neural tube is closed already. (From van Straaten et al. 2000) 32

33 Filopodi che partono dall ectoderma non neurale connettono le pliche

34 ESPRESSIONE DIFFERENZIALE DELLE PROTEINE DI ADESIONE E-CADERINE / N-CADERINE DURANTE LA NEURULAZIONE Quando il tubo neurale si forma le cellule che lo costituiranno smettono di esprimere E-caderina e sintetizzano invece N-caderina ed N-CAM Si ritiene che la separazione tra tubo neurale dall ectoderma superficiale si verifichi per la mancata adesione dei due tessuti conseguente ad una espressione di differenti molecole di adesione cellulare Le cellule della cresta neurale non esprimono N-caderina, né E- caderina e si disperdono Quando si inietta mrna di N-caderina in un lato dell embrione facendo così esprimere N-caderina alle cellule dell epidermide presuntiva non si ha separazione del tubo neurale

35 MAMMIFERI: ANOMALIE NELL CHIUSURA DEL TUBO NEURALE Si verificano difetti differenti in funzione della porzione interessata : nell uomo la mancata chiusura delle regioni posteriori del tubo neurale al 27 giorno causa la SPINA BIFIDA in cui il midollo spinale rimane esposto al liquido amniotico la mancata chiusura nelle regioni anteriori causa l ANENCEFALIA (letale): proencefalo è a contatto con liquido amniotico e degenera. La calotta cranica non si sviluppa la mancata chiusura dell intero tubo neurale è la CRANIORACHISCHI La chiusura del tubo neurale richiede nell uomo una complessa interazione di fattori genetici (Pax3, Sonic hedgehog, Openbrain) e fattori ambientali (dietetici)

36 Acido folico è efficace nel prevenire difetti di chiusura del tubo neurale Terapia consigliata da SSN in donne all inizio della gravidanza Recettori acido di folico nella parte dorsale del tubo neurale (ibridazione in situ) Meccanismo d azione dell acido folico è ancora da chiarire, ma anticorpi contro recettore impediscono chiusura del tubo neurale 36

37 Meccanismi epigenetici per il ruolo dei folati nella chiusura del tubo neurale?

38 POLLO NEURULAZIONE SECONDARIA Comporta l addensamento di cellule mesenchimali a formare un cordone midollare al di sotto dell ectoderma superficiale che successivamente si cavita Nel pollo e negli anfibi si verifica a livello delle vertebre lombari e caudali. Nei mammiferi inizia a livello delle vertebre sacrali

39 Cellule dell ectoderma che formeranno tubo neurale secondario esprimono Sox2 Cellule del neuroectoderma (verdi) che penetrano nel mesenchimo e organizzano il tubo neurale Le cellule mesodermiche in ingresso esprimono invece Tbx6 (diventano somiti)

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41 PRINCIPALI DERIVATI DEL FOGLIETTO EMBRIONALE ECTODERMICO Il processo di neurulazione primaria suddivide l ectoderma originario in 3 serie di cellule: 1. Il tubo neurale situato all interno che darà origine a encefalo e midollo spinale 2. L epidermide 3. Le cellule della cresta neurale che migrano in altre sedi (neuroni periferici e relative cellule gliali, cellule pigmentate della cute etc.)