Il sistema neurogenico della regione olfattiva
Migrazione dei neuroblasti dalla zona
sub-ventricolare del telencefalo, dove
avviene la proliferazione, al bulbo olfattivo
dove avviene il differenziamento nei
diversi sottotipi di interneuroni. Nel
cervello adulto il ventricolo anteriore si
oblitera e viene occupato dai tubi gliali che
compongono la “rostral migratory stream”.
In questa sede la migrazione dei
neuroblasti prosegue durante la vita adulta.
Durante lo sviluppo Reelin controlla il
posizionamento dei neuroblasti migratori
(migrazione radiale) e garantisce la
formazione di una corretta citoarchitettura.
Nel bulbo olfattivo Reelin agisce come un
segnale di distacco, induce la disaggregazione
delle catenelle migratorie della RMS e la
migrazione radiale verso gli strati esterni.
Migrazione dei precursori dei granuli del cervelletto
I precursori dei granuli si originano dal bordo del IV
ventricolo in una regione chiamata “rhombic lip”,
solamente dalla porzione anteriore. Da quella posteriore
si originano cellule che migrano ventralmente e vanno a
formare i nuclei delle olive. I precursori dei granuli
cerebellari localizzati verso la superficie proliferano
mentre le cellule che raggiungono gli strati profondi
iniziano un progressivo differenziamento.
Numerosi geni sono coinvolti nel regolare la genesi e il destino
dei neuroblasti del sistema olfattivo anteriore
Studi basati essenzialmente sui fenotipi di topi knock-out
Difetti di neurogenesi, proliferazione ...
Geni Dlx (Dlx1, Dlx2, Dlx5)
Geni Vax (Vax1, Vax2)
Geni Gsh (Gsh1, Gsh2)
Difetti di controllo del destino differenziativo
Geni Dlx
Gene ER81 (committment interneuroni olfattivi)
Gene Islet1 (committment neuroni di proiezione dello striato)
Noggin (committment neuronale)
Bmp
(committment gliale)
(
Difetti migratori
poche informazioni.
1. Adesione alla matrice extracellulare
Cono di crescita
2. Adesione a molecole sulla superficie cellulare
3. Fascicolazione
Assone pioniere
+
++
4. Chemioattrazione
++
+
5. Chemiorepulsione
6. Inibizione da contatto
-
-
-
Segnali a breve e lungo raggio: quali molecole ?
Quattro tipologie di segnale contribuiscono alla crescita e all’ orientamento
degli assoni: attrazione a breve e lunga distanza, repulsione a breve e lunga
distanza. La situazione reale è molto più complessa, in quanto sono state
descritte molte altre famiglie di molecole e le stesse molecole possono
essere attraenti o repellenti a seconda del sistema.
Le molecole di guidance e loro recettori
Midline attractants
Midline repellents
Most often repellent,
present in various regions
Repellent or attractants
Acting bidirectionally
Known as morphogenes
Guan & Rao, Nature Rev Neurosci. 4:941-956 (2003)
Riepilogo della struttura e organizzazione delle
principali molecole coinvolte in axon guidance
Slit
semaphorin
netrin
ephrin
Si conoscono molte più molecole con
funzione di repellente (in genere legate alla
attivazione della GTPasi Rho) che con
funzione attraente (in genere legate alla
attivazione delle GTPasi Rac e CDC42)
I ligandi di questi sistemi sono spesso legati
alle membrane cellulari, o mediante un
dominio transmembrana o mediante un GPIanchor. Quindi l’attivazione di questi
sistemi segnale richiede un contatto cellulacellula.
In altri casi i ligandi sono secreti ma
rimando in stretta associazione con
molecole di proteoglicani presenti nella
matrice extracellulare. In questo caso non
è necessario il contatto ma la distanza di
diffusione del segnale non è molto elevata.
Il sistema delle Netrine e loro recettori
Attraggono gli assoni commissurali ventralmente verso la linea mediana (floor plate).
Sono note anche funzioni repulsive. I recettori DCC and Neogenina mediano le funzioni
attrattive, mentre Unc5 media le funzioni repulsive.
Attivazione di Robo da parte di Slit può produrre il silenziamento di DCC e quindi
abolisce la risposta alle Netrine.
Il sistema Slit-Robo
Tipicamente noti come “midline repellents”. Impediscono agli assoni commissurali di ri-attraversare la
linea mediana. Nei mammiferi tre geni Slit (1,2,3) sono espressi nel floor plate. Nel topo knock-out
Slit1-/-;Slit2-/- non si osservano difetti di orientamento degli assoni commissurali, mentre ci sono
difetti di attraversamento del chiasma ottico. In questa sede, Slit3 non è espresso.
Il sistema delle Semaforine e loro recettori
Le semaforine agiscono a breve raggio, possono essere secrete o legate alla membrana,
in genere hanno attività repulsiva e di “collasso del cono di crescita”. I recettori sono
costituiti da proteine di membrana con attività tirosina kinasi (Plexin) che si associano
con altre molecole di membrana con funzione di co-recettore (Neuropilin, L1, Met,
Otk).
Chemiorepulsione: le molecole Semaforine e
i loro recettori Plexin e Neuropilin
Cono di crescita
In vitro, Sema3A tipicamente causa il rapido collasso del cono di crescita
e la conseguente ritrazione di un assone
Il sistema bidirezionale delle Efrine e loro recettori
Molecole legate alle membrane
mediante un’ ancora di GPI (glicosilfosfatidil-inositolo) (tipo A) oppure
mediante un dominio transmembrana
(tipo B).
Le efrine A si legano a recettori
EphA, le efrine B si legano a
recettori EphB. Il segnale è
bidirezionale e richiede contatto
cellula-cellula. Ben studiato il loro
ruolo nelle proiezioni retinogenicolate del sistema visivo.
L’inibizione da contatto coinvolge un sistema di segnale
legato alle membrane: l’esempio delle efrine
Le efrine sono molecole legate alle
membrane cellulari, con attività in genere
chemiorepellente nei confronti dei neuriti.
Il classico esempio è quello degli assoni
delle cellule retino-gangliari e della
organizzazione topografica delle proiezioni
a livello del tetto (uccelli) e del collicolo
superiore (mammiferi). Mentre le cellule
del collicolo esprimono un gradiente di
efrinaA, il cono di crescita degli assoni
esprime il recettore EphA, in misura
variabile a seconda della posizione nella
retina (gradiente retinico).
Il segnale Efrina-EPH è bidirezionale, nel
senso che sia il recettore che il ligando sono
in grado di attivare un pathway intracitoplasmatico di trasduzione del segnale.
EphrinA
L’espressione a gradiente delle efrine e dei loro recettori
sono alla base della organizione topografica delle proiezioni visive
La EfrinaA ha attività chemiorepellente nei
confronti degli assoni retinici che presentano
i recettori EphA. Questo sistema segnale è
essenziale per lo stabilirsi della topografia,
ma non determina la posizione esatta della
terminazione dell’assone
post
Collicolo superiore
ant
Nas.
Temp.
Retina
Mann et al. Neuron 35: 461-474 (2002)
Hindges et al. Neuron 35: 475-485 (2002)
vent
Retina
dors
vent
EphrinB
dors
EphB receptor
EphrinB
La mappa dorso-ventrale invece dipende dal
segnale chemioattraente di efrinaB e del
recettore EphB. Il segnale è bidirezionale:
EfrinaB attiva il recettore EphB, e viceversa.
EphB receptor
EphA receptor
Collicolo superiore
Le molecole di axon guidance convergono sulla regolazione
della dinamica del citoscheletro attraverso le GTPasi
Tubulin
Actin
Un possibile meccanismo per la flessione del neurite
La mobilità dei filamenti di actina è alla base del reclutamento di microtubuli, del loro
avanzamento e orientamento. I filopodi si estendono e si retraggono mediante
polimerizzazione e depolimerizzazione dei filamenti di actina, e aderiscono al
substrato.
Singoli microtubuli si prolungano nel cono si crescita ma sono in equilibrio dinamico e
tendono a crescere associandosi ai filamenti di activa filopodiale. Quando un
microtubulo viene “catturato” stabilmente in un filopodio la crescita del neurite
prosegue il quella direzione e si può verificare una curvatura. Il processo coinvolge
anche il rilascio di ioni Calcio a livello intra-citoplasmatico.
Numerose molecole coinvolte nella dinamica del citoscheletro sono target dei sistemi di
trasduzione dei segnali di guidance, attraverso le GTPasi Rho, Rac, CDC42
Cono di crescita
1. Adesione alla matrice extracellulare
2. Adesione a molecole sulla superficie cellulare
3. Fascicolazione
Assone pioniere
+
++
4. Chemioattrazione
++
+
-
-
-
5. Chemiorepulsione
6. Inibizione da contatto
Il sistema olfattivo
ORN
ORN Axons
Axons
Radial
Radial Glia
Glia
Mitral
Mitral Cells
Cells
JG
JG cells
cells
Schwann
Schwann cells
cells
Il sistema olfattivo
OE
ON
VNN
ON
OE
OB
VNO
OE
Sistema periferico
Sistema centrale
Strato granuli
MAP2
OMP
glomeruli
Strato mitrale
Strato glomeruli
ON
Il sistema olfattivo come modello sperimentale
Durante lo sviluppo del sistema olfattivo entrano in gioco tutti i meccanismi di
controllo della crescita e traiettoria dell’ assone, di neurogenesi e di migrazione.
-
Patterning precoce, sia del CNS che del placode olfattivo
Neurogenesi embrionale
Interazione con molecole di ECM (laminina, tenascina, condroitin-solfato ...)
Migrazione centripeta (PSA-NCam, DoubleCortin)
Adesione cellulare – riconoscimento – fascicolazione (galectin, N-Cam, L1 ...)
Chemioattrazione – Chemiorepulsione (Semaforine, EfrinaA...)
Riconoscimento e innervazione del target (Emx2, Dlx5)
Formazione di mappe topografiche (Odorant Receptors)
Sinaptogenesi, attività elettrica e differenziamento terminale
A tutto questo di deve aggiungere che:
a. il sistema è caratterizzato da un continuo turn-over degli elementi cellulari
b. il sistema è più accessibile alla sperimentazione di altri
St. John et al. Int J Dev. Biol. 46: 639-647 (2002)
Distribuzione dei neuroni e
unicità di espressione di OR
Convergenza degli assoni con
la stessa specificità di OR
Bulbo
olfattivo
Cavità nasale
Epitelio
olfattivo
Il sorting
Bulbo Olfattivo
Nervi olfattivi
Cellule della glia olfattiva
La convergenza
Glomeruli
The topography of the sensory map
P2 gene
P2 gene
P2 ORF
IRES tau
LacZ
TK neo
M12 ORF
IRES tau
LacZ
TK neo
M12 gene
M12 gene
M12-IRES-LacZ
P2-IRES-LacZ
OR genes identify functional units that target to specific glomeruli
Each OR defines 1-2 individual
converging units per side, the
glomeruli, which are located in
topographically fixed positions
Mombaerts et al, Cell 87: 675-686 (1996)
Wang et al, Cell 93: 47-60 (1998)
La topografia della mappa sensoriale olfattiva
P2 gene
P2 gene
P2 ORF
IRES tau
LacZ
TK neo
P2 gene
P2 gene
M12 ORF
IRES tau
LacZ
TK neo
M12-IRES-LacZ
M12
P2
P2-IRES-LacZ
Ri-orientamento degli assoni olfattivi a seguito
dello scambio genico tra geni OR
Replacement of OR coding sequence reroutes axon to their respective
glomeruli.
The spectrum of phenotypes includes
partial re-routing and glomeruli
compartimentalization.
The identity of olfactory axons depends
on the presence of other axons, i.e. is
contextual.
OR molecules, present in axons, mediate
homotypic interactions between axons
with identical OR expression
Feinstein et al, Cell 117: 817-831 2004
When a “donor OR coding sequence” is inserted into a “recipient OR locus”,
the axons converge into novel ectopic glomeruli.
The mechanism seems to be “instructive”, as shown by the transgenic minigenes.
Thus, expressed OR are a determinant for convergence, but they are not
the only ones.
OR expression does not precisely decide the topography. Other molecules
participates, such as the Semaphorins
Vassalli et al, Neuron 35: 681-696 (2002)
Feinstein et al, Cell 117: 817-831 (2004)