Appunti Genetica molecolare umana

MESODERMA PARASSIALE

Si trova ai lati dell’asse

METAMERIZZAZIONE E FORMAZIONE DEI SOMITI

A dx: immagine 3D di un embrione di pollo.

Ai lati del tubo neurale si osservano delle masse che si formano a

somiti.

2 a 2 in maniera simmetrica a dx e a sx: sono i

I somiti si formano a partire dalla porzione più caudale (testa)

verso la coda (i somiti caudali hanno una numerazione inferiore

perché si contano a partire dalla testa) grazie alla regolazione

BMP4.

della via di Nel mesoderma che deve diventare una

coppia di somiti, i livelli di BMP4 devono essere abbassati. In

tutto il resto del mesoderma, i livelli di BMP4 possono rimanere

elevati, in particolare i livelli di BMP sono alti nel mesoderma

laterale e bassi nel mesoderma presomitico.

Contando i somiti si riesce a capire a che stadio di sviluppo è un embrione. Sapere a che stadio di sviluppo è un

embrione può essere fondamentale, per esempio se lo sto trattando con un farmaco. Questo è possibile perché la

coppia di somiti si forma secondo un intervallo ben preciso, con un ritmo ben preciso che è lo stesso per ogni specie.

Se l’embrione viene tenuto in condizioni sperimentali ottimali (es: per lo zebrafish a 28 gradi), le coppie di somiti si

formano regolarmente (es: nello zebrafish se ne forma 1 ogni mezz’ora, per l’uomo i tempi sono lunghi).

Da cosa è data la regolarità e la sincronia?

CLOCK AND WAVE FRONT

Da un meccanismo che prende il nome di che è uno dei concetti più difficili dello sviluppo,

soprattutto da comprendere. Coinvolge sia un’accensione (clock) di geni in un punto, sia delle sostanze (morfogeni)

che, come un’onda (wave) inducono l’accensione di questi geni.

Dal punto di vista sperimentale, per capire questo meccanismo non basta la mutazione di un gene del clock o uno del

wave, ma si devono combinare le azioni di tutti questi geni.

È come se ci fosse un’onda di segnalazione, data dai segnali di FGF e WNT. In questo caso le due vie cooperano e

agiscono come un’onda: arrivano e ritornano in maniera ritmica. L’onda che si forma va dal polo posteriore (per

quanto riguarda il pollo, parte dal nodo di Hensen) al polo anteriore dell’embrione finché non viene contrastata

(nell’immagine, l’onda è in giallo). Dall’estremità anteriore, infatti parte un’altra onda che è data dalla via di

segnalazione dell’acido retinoico (in verde. Molto importante anche nello sviluppo: in passato si usavano cosmetici ad

alta concentrazione di acido retinoico, se veniva utilizzato da donne incinte si formavano feti con alterazioni).

L’onda dell’acido retinoico parte dal polo

anteriore e si dirige verso quello posteriore.

Quando le due onde entrano in contatto, l’onda

anteriore contrasta il fronte dell’onda

posteriore di FGF-WNT (chiamato fronte

d’onda). Questo fronte d’onda si osserva

nell’immagine, in rosso. 47

Nel punto in cui si incontrano le due onde si accendono i geni del clock: i geni

necessari per la specificazione dei somiti proprio in quella regione. In particolare i

geni vanno a segmentare il mesoderma parassiale.

Il fronte dell’onda, via via si sposta dal polo anteriore, in una regione sempre più

posteriore rispetto alla coppia di somiti neoformata:la via di FGF-WNT si

estenderà sempre in misura minore rispetto al ciclo precedente. Dopo la

formazione dell’ultima coppia di somiti, non si creano altre coppie perché non c’è

più mesoderma pre-somitico.

[I geni CLOCK si accendono dove si incontrano le due onde. Le due onde sono il

WAVE e dove si incontrano c’è il CLOCK.]

GENI DEL CLOCK – VIA DI SEGNALAZIONE DI NOTCH DELTA

Chi sono i geni del CLOCK e come fanno a specificare una

coppia di somiti distinguendola da quella mediatamente

adiacente?

I geni del CLOCK fanno parte della via si segnalazione NOTCH/

DELTA, è una via differente dalle vie viste precedentemente: le

vie di BMP, dei TGF beta e di WNT dipendono da segnali secreti

nell’ambiente extracellulare e quindi i ligandi trovano recettori

che potevano essere anche su cellule distanti.

La via si segnalazione di NOTCH, invece implica un contatto

cellula-cellula, e avviene solo in questo modo: ecco perché può

essere utile per la specificazione di una coppia di somiti e per

distinguerla da quella adiacente.

È necessario il contatto cellula-cellula perché i ligandi di notch si trovano sulla superficie di una cellula, mentre il

recettore (che è NOTCH) si trova transmembrana sulla cellula immediatamente adiacente: solo in questo modo

possono interagire.

Il recettore di Notch è unico (transmembrana) e lega i ligandi, che sono di 3 tipi:

- Delta

- Jagged

- Serrated

Una volta che avviene il legame tra il ligando e il recettore Notch, Notch viene tagliato mediante un taglio proteolitico

nella porzione citoplasmatica. Parte di questo recettore migra nel nucleo, andando ad attivare la trascrizione di geni

target. Quindi l’effetto della via di Notch si esplica solo in una cellula che presenta il recettore, sulla cellula che

esprime i ligandi non viene attivata questa via. Questa cellula avrà un destino diverso rispetto a quella che esprime i

recettori. La via viene modificata da eventi di glicosilazione del recettore che favoriscono o meno l’interazione con

ligando. 48

La via di segnalazione delta/notch serve a definire l’identità di ogni coppia di somiti:

In azzurro abbiamo l’espressione di delta:

- La parte più anteriore del somite non esprime delta

- La parte più posteriore del somite esprime delta

Delta è un ligando di Notch. Le cellule

immediatamente adiacenti esprimono il recettore di

Notch e quindi la parte più posteriore di un somite si

distinguerà chiaramente dalla parte più anteriore del

somite successivo. In questo modo si può separare

l’identità cellulare di coppie di somiti diversi. Questo si

ripete in ogni somite che si forma (ogni somite ha

un’estremità anteriore in cui viene espresso il

recettore e una posteriore in cui viene espresso il

ligando) Mesp2,

Uno dei geni target di Notch è il gene

espresso nella porzione anteriore dei somiti. Il fronte

d’onda determina l’espressione dei ligandi e dei

recettori

MALFORMAZIONI DELLA VIA DI DELTA/NOTCH.

Dato che è responsabile della formazione

delle coppie di somiti e dell’identità di ciascun

somite e dato che da ciascun somite

originano vertebre e costole, danno difetti di

formazione di vertebre e costole.

Nell’immagine, a sx si osserva un topo con un

fenoÄpo normale e a fianco ci sono due topi

con mutazioni a livello della via di delta/notch

che hanno una grave alteraione della

formazione di vertebre e costole. Queste

mutazioni missenso che rendono inaÇvo un’enzima della via e si verificano anche in uomo.

POLARITÀ DORSO-VENTRALE DEI SOMITI

Per formare le varie componenti che originano dal mesoderma parassiale, all’interno della masserella del somite si

devono originare territori cellulari differenti: DERMAMIOTOMO

- le cellule delle regioni dorsali e laterali costituiscono il (tomo= porzione, mio= muscolo), in

Pax3. MIOTOMO

rosa che esprime il gene homebox Dal dermamiotomo si origina il che dà origine alle cellule

DERMA DEL DORSO,

muscolari e il un foglietto epiteliale che forma la pelle del dorso. Il dermamiotomo

contiene anche le cellule che daranno origine al sistema VASCOLARE.

SCLEROTOMO, Pax1,

- la parte ventrale del somite è in azzurro, esprimono migrano ventralmente e formano

vertebre e costole. 49

Come si distinguono le due

regioni all’interno del somite?

L’informazione viene fornita

notocorda

dalla che si trova

sotto il tubo neurale e secerne

SHH (che serve anche per la

chiusura del tubo neurale) per la

specificazione delle varie regioni

del somite e in particolare per far differenziare lo sclerotomo che serve per la formazione di vertebre e costole. Una

delle sindromi associate a mutazioni nella via di segnalazione di SHH riguarda mutazioni nelle costole e nelle vertebre.

Per dimostrare ciò hanno prelevato la notocorda di un embrione e

l’hanno trapiantata in un altro (che già possedeva la notocorda). I

segnali derivanti dalla notocorda servono per specificare le regioni

del somite in sclerotomo e dermamiotomo, infatti i segnali derivanti

da una notocorda trapiantata in una regione aberrante del

mesoderma induce:

• il ripiegamento del tubo neurale in una parte in cui non

dovrebbe ripiegarsi

• Il mesoderma parassiale vicino a diventare dermamiotomo HOX.

I geni responsabili della formazione dell’asse antero-posteriore sono i geni Siccome i somiti hanno una chiara

formazione antero-posteriore anche i geni HOX contribuiscono alla formazione di queste strutture. È stato osservato

ciò grazie a esprimenti di trapianto. Nell’immagine a fianco si osserva un embrione

di topo in cui è stata presa una piccola porzione

di mesoderma pre-somitico parassiale (non

ancora diviso in somiti) ed è stato trapiantato in

una regione molto anteriore dell’embrione.

Questo trapianto darà origine a delle strutture

più posteriori nella regione anteriore dove

queste strutture non dovrebbero formarsi. Il tessuto posteriore del donatore, non avendo fatto i somiti si pensava

fosse committed, invece ha già ricevuto la via di segnalazione dei geni HOX che lo hanno già determinato.

Ogni coppia di somite contribuisce alla formazione di porzioni specifiche lungo l’asse antero-posteriore.

• I primi 5 somiti (coppie 1-5), quelli più anteriori, contribuiscono

alla formazione della porzione posteriore del cranio (il resto del

quale verrà formato principalmente dalle cellule delle creste

neurali) della testa e dei muscoli del collo.

• I successivi 12 somiti (somiti 6-19) sviluppano le vertebre

cervicali.

• I somiti 20-26 le vertebre toraciche.

• I somiti 27-40 sviluppano le vertebre lombo-sacrali e caudali. 50

SEGNALI CHE REGOLANO SVILUPPO E DIFFERENZIAMENTO DEL MESODERMA

Famiglia di fattori trascrizionali responsabili e indispensabili per lo sviluppo e il differenziamento muscolare

scheletrico. MRF (myogenesis regulatory factors) della famiglia di MyoD

Esperimento che la Prof ha fatto: capire quale era il timing dei MRF durante il

differenziamento. Si sapeva che prendendo cellule di somiti, queste esprimevano

Myf5, MyoD e Mrf4: l’espressione induce il differenziamento ai mioblasti (cellule

mononucleate e proliferanti) in cellule murine.

MyoD, Myf5, Myogenina, Mrf4.

MRF sono 4 membri: Questi fattori trascrizionali

hanno u