Sviluppo del sistema nervoso nei vertebrati

Sviluppo del sistema nervoso nei vertebrati

Le prime fasi dello sviluppo del sistema nervoso dei vertebrati sono la conseguenza di un fenomeno di induzione neurale che avviene al momento della gastrulazione quando l endo mesoderma dorsale rilasciano molecole secrete che inducono a diventare neuroectoderma.

In seguito all induzione neurale, avviene una fase di morfogenesi che prevede cambiamenti nella struttura del foglietto embrionale associati a movimenti cellulari, riarrangiamenti e cambiamenti nella forma delle cellule: questa fase prende il nome di neurulazione e nei vertebrati superiori è divisa in primaria e secondaria.

La neurulazione primaria prevede un ispessimento delle cellule dell ectoderma dorsale, che diventano colonnari e formano la piastra neurale. In seguito la piastra

neurale si flette e forma la doccia neurale" al di sopra della notocorda, che deriva dal mesoderma dorsale. I margini della doccia neurale sono detti pliche neurali e si avvicinano progressivamente l una all altra fino a fondersi e formare il tubo neurale che sprofonda all interno dell embrione e rimane dorsalmente coperto dall ectoderma non neurale futura epidermide . La neurulazione secondaria è caratteristica della parte posteriore del tubo neurale di mammiferi, uccelli e consiste nella formazione di un cordone solido di cellule che viene cavitato in un secondo momento. La neurulazione nei pesci è simile alla neurulazione secondaria dei tetrapodi.

La piastra neurale precoce assomiglia ad uno strato omogeneo di cellule epiteliali, ma quando si chiude su se stessa a formare il tubo neurale una serie di costrizioni ne suddividono la parte più anteriore in vescicole che rappresentano i primordi di proencefalo, mesencefalo e romboencefalo, in senso rostro caudale stadio a tre vescicole . Posteriormente al romboencefalo il tubo neurale rimane un cilindro cavo

precursore del midollo spinale.

Una  successiva evoluzione del sistema nervoso anteriore è lo stadio a cinque vescicole in cui il proencefalo è ulteriormente regionalizzato in telencefalo e diencefalo e il romboencefalo è suddiviso in metencefalo e mielencefalo ( vedi Fig.

1 .

Fig. 1 1- Rappresentazione schematica degli stadi di sviluppo del SNC detti a tre e cinque vescicole

Gli esperimenti storici che hanno iniziato a spiegare i meccanismi dell induzione neurale sono stati condotti su embrioni di anfibi, prima di Triturus e poi di Xenopus. Negli embrioni di anfibio, fin dai primi stadi di sviluppo blastula , sono distinguibili un polo animale composto da piccole cellule e uno vegetativo composto da cellule più grandi, ricche di vitello. Al polo animale si trovano le cellule destinate a diventare ectoderma, al polo vegetativo quelle destinate a diventare endoderma e tra queste due regioni si trova una regione marginale che darà mesoderma. L ectoderma dorsale è destinato a diventare il sistema nervoso Alla gastrulazione, nella regione dell endoderma immediatamente sotto il mesoderma dorsale, si ha la formazione del labbro dorsale del blastoporo, attraverso cui le cellule di mesoderma ed endoderma iniziano ad entrare nell embrione per involuzione, mentre le cellule di ectoderma ne ricoprono la superficie.

Hans Spemann e Hilde Mangold nel 24 dimostrarono come il trapianto della regione corrispondente al labbro dorsale del blastoporo, prelevato da un embrione di tritone allo stadio di gastrula precoce, in posizione ventrale in un altro embrione ospite allo stesso stadio, producesse lo sviluppo di una larva con due assi dorsali completi. In questo esperimento, la regione trapiantata si sviluppava in mesoderma dorsale, ma le altre componenti dorsali nell asse secondario, come il sistema nervoso, erano indotte nell ospite dall azione del frammento trapiantato. Quest ultima conclusione fu resa possibile dall uso di due specie di tritone con diversa pigmentazione.

Il labbro dorsale del blastoporo, per le sue capacità dorsalizzanti ed induttive, fu chiamata organizzatore primario" e poi organizzatore di Spemann . Per diverse decine di anni non si riuscirono ad individuare gli effettori molecolari dell organizzatore, ma tra la fine degli anni 80 e la metà degli anni 90, grazie all avvento delle tecniche di biologia molecolare e al cambiamento di sistema modello dagli urodeli Triturus) agli anuri Xenopus) si è iniziato a fare chiarezza.

Nel 1 89 Grunz e Tacke si accorsero che cellule prelevate dal polo animale di embrioni di Xenopus se messe in coltura dopo essere state dissociate differenziano in cellule di tipo nervoso, mentre gli animal caps non dissociati differenziano in cellule

epidermiche. Questo fece pensare che le cellule ectodermiche fossero programmate per default a dare neuroectoderma e che questo fosse permesso all ectoderma dorsale e impedito a quello ventrale. Anni dopo, Hemmati Brivanlou e Melton 199 , in uno studio sulla formazione del mesoderma, usarono un recettore tronco di tipo II per i fattori TGF-b constatando che agiva da dominante negativo, e osservarono che bloccando la via di segnale dell activina, oltre alla prevista inibizione dell induzione mesodermica, si otteneva anche l espressione di marcatori neurali.

Questo fece pensare che la via che bloccava la spontanea neuralizzazione dell ectoderma ventrale dovesse dipendere da un fattore TGF b che condivideva con

l activina il recettore di tipo II mutato nell esperimento. Questo fattore epidermizzante era Bone Morphogenetic Protein BMP) 4. Ci sono più di trenta proteine nella famiglia delle BMP; BMP 4 è la più coinvolta nell inibizione neurale. Negli stessi anni furono scoperte tre molecole che erano espresse a livello dell Organizzatore di Spemann e ne mimavano l attivit : noggin, chordin e follistatin. Ognuna di queste molecole ha effetto neuralizzante in quanto blocca la via di segnale di BMP: ad esempio Chordin è una proteina secreta che lega BMP 4 nello spazio extracellulare impedendogli di interagire coi suoi recettori Piccolo et al. 199 .

La ridondanza di questi inibitori di BMP , come spesso accade in biologia, prova indiretta dell importanza dell azione svolta.

Il doppio knock out di noggin e chordin nel topo porta a formazione di proboscide,

ciclopia e assenza di mascelle; in alcuni embrioni alla mancata formazione delle strutture più anteriori del sistema nervoso centrale ( SNC) . Ben prima di queste scoperte di ordine molecolare era stato proposto un modello per lo sviluppo del sistema nervoso da Peter Nieuwkoop 1952 : il modello di attivazione e trasformazione ( Fig 1 2 .

Questo modello prevede un ondata di attivazione che induce tutto l ectoderma dorsale ad un destino neurale anteriore, i cui effettori sono appunto gli inibitori di BMP sopra menzionati, seguita da una trasformazione/ posteriorizzazione compiuta da molecole con gradiente di concentrazione postero anteriore.

Fig. 1 2- Schema del modello di attivazione trasformazione in Xenopus

Molecole posteriorizzanti sono: alcuni componenti della famiglia dei Fibroblast Grouth Factor FGF , l acido retinoico e le proteine Wnt, omologhe di Wingless di Drosophila.

E stato anche dimostrato che, in Xenopus, FGF ha azione di induttore neurale diretto nelle fasi successive alla gastrulazione, ma di tipo posteriorizzante

La combinazione di inibitori di BMP Follistatin) e FGF produce in espianti ectodermici l accensione di geni del patterning neurale dai più anteriori a quelli del midollo spinale Cox e Hemmati Brivanlou 1995 .

L attività di induttore neurale posteriore di FGF è stata dimostrata anche nel pollo

Alvarez et al. 199 .

Altro agente posteriorizzante è l acido retinoico AR) molecola lipofilica che attraversa la membrana plasmatica ed interagisce con i suoi recettori citoplasmatici; questi sono fattori di trascrizione che in seguito al legame con l AR divengono capaci di modulare l espressione genica agendo su degli specifici enhancer RARE Retinoic Acid Responsive Element).

L acido retinoico agisce su geni importanti nel patterning rostro caudale del SN principalmente su geni espressi posteriormente a partire dal romboencefalo: i geni Hox ( Neiderreither et al. 2000).

L ultima classe di fattori posteriorizzanti è quella delle proteine Wnt, che in fasi precoci dello sviluppo hanno effetto dorsalizzante sull ectoderma e altri foglietti) e solo dopo la gastrulazione hanno un azione posteriorizzante

Perché si sviluppino le porzioni più anteriori del sistema nervoso è necessario che tali regioni siano protette dai fattori posteriorizzanti: anteriormente al romboencefalo è

espresso il gene del Citocromo P 6, che degrada l acido retinoico, e una serie di inibitori di Wnt Dkk, Frzb, Tlc ed altri) Nihers et al. 1 99 ), oltre a Cerberus, che contemporaneamente inibisce: BMP, Nodal e Wnt Piccolo et al , 1999 .