Appunti completi di genetica molecolare umana

SEGNALI DORSALIZZANTI

L'azione combinata di Wnt-11, Wnt5a e catenina porta alla formazione di un altro centro noto come il centro di nieuwkoop nella regione dorso/ventrale dell'embrione che manda altri segnali dorsalizzanti. In questa regione le cellule esprimono catenina nucleare mentre le cellule adiacenti (ventrali) esprimono il gene VegT (diventeranno cellule dell'endoderma). La combinazione dei due geni attiva l'espressione di Nodal che induce il mesoderma e dà identità dx-sx. Dove Nodal è maggiormente attivo si forma il labbro dorsale del blastoporo.

NODAL

Il segnale di Nodal è importante per l'induzione del mesoderma e per l'instaurarsi della simmetria destra/sinistra nei primi stadi di sviluppo dell'embrione dei vertebrati. Nodal è il ligando che va ad interagire con due recettori diversi di tipo 1 e 2 (recettori transmembrana), quando c'è Nodal tetramerizzano, avviene fosforilazione e...

A livello intracellulare e si attiva il complesso delle proteine SMAD che è formato da SMAD2 e 3 che formano un complesso con SMAD 4, quando si attiva il complesso entra nel nucleo e agisce da fattore trascrizionale per geni responsivi al pathway di nodal. Abbiamo una regolazione fine a più livelli:

• Precursore inattivo, attivato da taglio proteolitico
• Inibitori extracellulari di Nodal o dei recettori (Cerberus, Lefty)
• Regolazione del trascritto stesso di Nodal (feedback-loop positivo o negativo)
• miRNA su trascritto di Nodal

SEGNALI PER LA SPECIFICAZIONE DEL MESODERMA

Una delle principali funzioni dell'organizzatore è quella di specificare il pattern del mesoderma lungo l'asse dorso ventrale dell'embrione. In questo processo sono coinvolti segnali provenienti sia dalla regione vegetativa (BMB e WNT) che dall'organizzatore di Spemann (Noggin e Chordin) che interagiscono con i segnali ventralizzanti inibendoli.

Tutti il resto dell'embrione

allo stadio di blastula esprime ubiquitariamente un'altra via simile a Nodal → via BMP. Essendo espressa ovunque l'unico modo per modularla è spegnerla con vie già accese. Le regioni più vicine alla regione dorsale subiscono forteinibizione, mentre quella centrale meno → BMP rimane accesso. Si accende anche un'altra via di segnalazione che è FGF. L'interazione di queste vie nelle diverse parti dell'embrione dà origine ai foglietti embrionali e alla loro riorganizzazione.

PROTEINE BMP

Le proteine della famiglia BMP sono un gruppo di molecole che appartengono alla famiglia dei TGF- (come le Nodal). Sono state βinizialmente scoperte per la loro capacità di formare tessuto osseo ma sono coinvolte in molteplici meccanismi di sviluppo.

Le proteine BMP possono agire mediante segnali canonici o non canonici. Nella via di trasduzione canonica le BMP si legano ai recettori che formano un tetramero composto da due

I dimeri recettori serina/treonina chinasi di tipo I e di tipo II. I recettori hanno un dominio extracellulare, un singolo dominio transmembrana e un dominio intracellulare con attività serina/treonina chinasica. Una volta che il complesso del recettore si è formato, il recettore di tipo II transfosforila un dominio del recettore di tipo I e lo attiva. L'attivazione del recettore di tipo I porta alla fosforilazione delle proteine Smad1, Smad 5 e Smad8 che formano un complesso con Smad4 che trasloca nel nucleo attivando i geni target. Il complesso delle Smad viene regolato attraverso inibitori come Smad6 e Smad7 che agiscono attraverso un meccanismo di feed-back loop negativo. I recettori possono essere diversi da BMPR I e BMPR II, infatti si può trovare anche ALK che è uno dei geni frequentemente mutato in alcuni tipi di tumori. Antagonisti extracellulari delle proteine BMP possono essere proteine CAN (Cerberus e DAN), Chordin, Noggin etc.

proteine intracellulari che sono miRNAs, inibitori delle Smad, oppure fosfatasi che defosforilano i recettori e le Smad impedendo la trasduzione del segnale.

Cross-talks con altri segnali di trasduzione come WNT possono modificare o limitare l'azione delle BMP. La via di segnalazione delle BMP non è isolata all'interno delle cellule in quanto in un contesto embrionale le cellule sono tutte vicine e nella gastrula il pathway di WNT antagonizza la via di BMP. Spesso le due vie possono avere gli stessi target a livello nucleare, la via di BMP può attivare dei geni per la formazione degli osteoblasti che possono essere anche attivati dalla beta catenina (effettore della via di segnalazione di WNT). Viceversa, per quanto riguarda la trascrizione del gene responsabile della formazione degli adipociti, questo è attivato dalla via di BMP ma inibito dalla via di segnalazione di WNT.

• arto BMP4
• spermatogenesi BMP8
• occhio e rene BMP7
• vescicola seminale BMP12
• occhio

MUTAZIONI BMP E APPARATO SCHELETRICO

Ci sono mutazioni legate a patologie in organi specifici → BMP tessuto specifiche mutate. Molte riguardano le ossa. Le proteine BMPs svolgono un ruolo nella formazione, nel mantenimento e nella rigenerazione del tessuto osseo e cartilagineo.

Sindrome del Cleft Palate

Mutazione di BMP2 che genera aploinsufficienza porta alla sindrome del Cleft Palate (CP, ORPHA:2014). Tre varianti di BMP4 sono state identificate come potenziali fattori di rischio per la CP non sindromica. Questa patologia determina una mancata chiusura del palato che risulta collegato al naso.

Fibrodisplasia ossificante progressiva (FOP)

Ossificazione eterotopica dei tessuti muscolari scheletrici e connettivali. Il fenotipo classico è dovuto a mutazione nel recettore ACVR1 (Alk2). Il recettore Alk1 wild-type interagisce con FKBP12 che è un inibitore intracellulare del segnale di BMP. La mutazione di Alk2 impedisce il legame di FKBP12 rendendo il segnale di

BMP costitutivamente attivo. Dal momento che non è possibile agire sul fenomeno dell'ossificazione eterotopica, bisogna prevenire la sua formazione. Si cerca di agire con inibitori del pathway di BMP come molecole inibitori del recettore di tipo I.

Osteogenesi imperfetta (OI)
Patologia ereditaria caratterizzata da fragilità ossea, deformità e crescita ridotta. L'OI è causata da mutazioni generalmente autosomiche dominanti nei geni del collagene di tipo I come BMP1.

Osteoartrite (OA)
Patologia che causa degenerazione della cartilagine articolare delle articolazioni del ginocchio, anca bacino e mani. I meccanismi molecolari della patologia non sono completamente conosciuti ma l'OA sembra avere basi genetiche. È stata descritta un'associazione tra 2 polimorfismi nell'introne I di BMP5, overespressione di BMP2 e meccanismi regolatori nel 5'-UTR di BMP14.

BMP7 ha attività protettiva sulla degenerazione della cartilagine.

NEURULAZIONE

Formazione della piastra neurale

Il processo di organizzazione del tessuto nervoso è chiamata neurulazione. Il tessuto nervoso si forma a partire dall'ectoderma.

Lo sviluppo del sistema nervoso dei vertebrati avviene dalla piastra neurale che viene specificata da segnali provenienti dall'organizzatore e dal mesoderma. L'organizzatore inibisce il segnale di BMP attraverso i segnali di Nogging, Chordin e Follistatina.

L'induzione del tessuto nervoso avviene ad opera del mesoderma in una regione specifica e coinvolge differenze di segnale quantitative e qualitative: alti livelli di inibitori di BMP promuovono la formazione di regioni posteriori, mentre alti livelli di inibitori di WNT promuovono quella delle regioni anteriori.

Questo si è visto tramite interventi di trapianto in xenopus: prendo una gastrula e prelevo un pezzo di ectoderma nella porzione

(NTD) sono tra i più comuni alla nascita (1:1500 nascite) e, nelle forme più gravi, sono letali. Nei difetti di chiusura del tubo neurale intervengono anche fattori metabolici e ambientali come diserbanti e un errato metabolismo