1

Siamo tutti grandi

faringule generate da un

Organizzatore di

Spemann-Mangold (SMO)

su suggerimento di un

Centro di Nieuwkoop (NC)

Finalmente una risposta

convincente a una delle

domande che turba la

nostra esistenza:

“Chi siamo?”

… 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

INDUZIONE 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

Recenti studi hanno dimostrato che alcune molecole implicate nell’induzione

del mesoderma sono coinvolte anche nell’induzione del tubo neurale

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)

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 anti-

neurale 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)

6

Gastrulazione e Neurulazione anfibio (movie)

7

… nell’uccello (pollo)

8

… nel mammifero (uomo)

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

10

L’evoluzione dell’ectoderma

- Neurulazione

- Formazione del SNC

- Derivati della cresta neurale

- Sviluppo dell’occhio

- Epidermide e annessi cutanei

NEURULAZIONE

Il tubo neurale formerà anteriormente l’encefalo e posteriormente il

midollo spinale

Una parte dell’ectoderma dorsale è specificato a divenire ectoderma neurale e le

sue cellule sono distinguibili per il loro aspetto colonnare

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

PLACCA NEURALE

12

La neurula di anfibio

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

NEURULAZIONE PRIMARIA

Cosa c’è alla base di questi cambiamenti?

cambiamenti di forma delle cellule dovuti a dinamiche del citoscheletro

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

NEURULAZIONE PRIMARIA

16

Una visione

d’insieme

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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)

FORMAZIONE E ASSUNZIONE DELLA FORMA DELLA PLACCA 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

La neurulazione primaria suddivide

l’ectoderma originario in 3 popolazioni

cellulari:

• tubo neurale

• epidermide

• cellule della cresta neurale

INCURVAMENTO DELLA PLACCA NEURALE

Questi movimenti sono importanti per assicurare che il tubo neurale si

introfletta all’interno dell’embrione

Cellule del punto cardine mediale aderiscono alla notocorda formando un solco. Le cellule

MHP cambiano morfologia

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

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

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

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

CHIUSURA DEL TUBO NEURALE

C

Nei mammiferi a livello della regione

cefalica la migrazione delle cellule della

cresta neurale inizia quando le pieghe

neurali sono ancora sollevate

M

A

M

M

I

F

E

R

I

CONVERGENZA DELLE PIEGHE NEURALI

MODALITA’ DI CHIUSURA DEL TUBO NEURALE

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

CHIUSURA DEL TUBO NEURALE NEL MAMMIFERO

Nei mammiferi la chiusura del tubo neurale inizia in più punti lungo l’asse antero-

posteriore

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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)

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)

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)

Filopodi che partono

dall’ectoderma non neurale

connettono le pliche

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

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)

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Recettori acido di folico nella parte dorsale del tubo neurale (ibridazione in situ)

• Acido folico è efficace nel prevenire difetti di chiusura del tubo neurale

• Terapia consigliata da SSN in donne all’inizio della gravidanza

Meccanismo d’azione dell’acido folico è ancora da chiarire, ma anticorpi contro

recettore impediscono chiusura del tubo neurale

Meccanismi

epigenetici per il

ruolo dei folati

nella chiusura del

tubo neurale?

NEURULAZIONE SECONDARIAPOLLO

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

Cellule del neuroectoderma

(verdi) che penetrano nel

mesenchimo e organizzano il

tubo neurale

Cellule dell’ectoderma che

formeranno tubo neurale

secondario esprimono Sox2

Le cellule mesodermiche in

ingresso esprimono invece

Tbx6 (diventano somiti)

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.)