Serie genetica temporale completa identificata nel sistema visivo della mosca

La sequenza temporale in cui le cellule staminali formano diversi neuroni nel cervello è regolata dalla successiva espressione di proteine ​​regolatrici chiamate fattori di trascrizione temporale (tTF).

Utilizzando il sequenziamento dell’mRNA unicellulare, un team internazionale di ricercatori guidato da Claude Desplan, PhD, presso il dipartimento di biologia della New York University (NYU), ha identificato una serie completa di dieci tTF che determinano l’ordine preciso in cui si sviluppano i neuroni nel lobo ottico del moscerino della frutta. Lo studio sul sistema modello più semplice del moscerino della frutta fa nuove incursioni nella spiegazione dello sviluppo di complesse reti neurali nel cervello umano, che è una questione centrale nella neurobiologia dello sviluppo e nella medicina rigenerativa.

“Sapere come si sviluppa il cervello umano potrebbe permetterci in futuro di ripetere questi processi di sviluppo in laboratorio per generare specifici tipi di neuroni in una capsula di Petri – e potenzialmente trapiantarli nei pazienti – o per attivare cellule staminali neuronali negli organismi viventi per generare e sostituire i neuroni mancanti”, ha affermato Desplan, professore di biologia alla New York University e autore senior dello studio.

I risultati, pubblicati in un articolo in Natura(“Una serie completa di fattori di trascrizione temporale nel sistema visivo della mosca”), il 6 aprile 2022, fornisce approfondimenti sull’evoluzione dello sviluppo cerebrale tra le specie e indizi per le terapie rigenerative.

“I nostri risultati suggeriscono che la comprensione dei meccanismi di sviluppo dei neuroni nelle mosche può generare informazioni per il processo equivalente negli esseri umani”, ha affermato il co-primo autore Anthony Rossi, PhD, che è un borsista post-dottorato ad Harvard ed era uno studente laureato nel laboratorio Desplan .

Per ovvie ragioni, i modelli temporali dello sviluppo neurale nel cervello non possono essere studiati negli esseri umani, costringendo gli scienziati a fare affidamento su organismi modello con meccanismi evolutivamente conservati che regolano lo sviluppo sequenziale di diversi neuroni dalla stessa cellula staminale progenitrice.

“Verifichiamo che i tTF regolino la progressione della serie attivando i successivi tTF e reprimendo i precedenti, e identifichiamo anche meccanismi di regolazione più complessi”, osservano gli autori. Questa espressione dipendente dal tempo di tTF crea finestre temporali di sviluppo neurale contrassegnate dall’espressione di un insieme specifico di geni.

I ricercatori hanno scoperto il set completo di tTF necessari per generare i quasi 120 tipi di neuroni nel midollo, una struttura del romboencefalo che ospita il sistema visivo. Analizzando il pool di mRNA in ciascuna delle oltre 50.000 cellule nel midollo in via di sviluppo, i ricercatori hanno raggruppato i tipi cellulari in base ai loro profili trascrittomici. Analizzando i trascrittomi delle cellule staminali neurali nel midollo, i ricercatori non solo identificano i TTF che definiscono le finestre di sviluppo, ma anche la rete genetica che ne regola la progressiva espressione.

“Diversi tTF erano stati precedentemente identificati nel sistema visivo del cervello utilizzando gli anticorpi disponibili. Ora abbiamo identificato la serie completa di dieci tTF che possono specificare tutti i tipi di neuroni in questa regione del cervello”, ha affermato uno degli autori principali dello studio, Nikolaos Konstantinides, PhD, che era un borsista post-dottorato nel laboratorio di Desplan.

I ricercatori hanno anche determinato in che modo la progressione genetica è correlata all ‘”ordine di nascita” di tutti i neuroni nel midollo, collegando specifiche finestre temporali con la generazione di specifici tipi di neuroni. Questo meccanismo di regolazione produce l’intero set di neuroni del lobo ottico in un ordine stereotipato.

“Il deterioramento della progressione della cascata temporale porta alla generazione di una ridotta diversità neuronale, alterando quindi lo sviluppo del cervello”, ha affermato Isabel Holguera, PhD, ricercatrice post-dottorato presso il Dipartimento di Biologia della New York University e uno dei primi co-autori dello studio.

Il team ha anche chiarito i primi passi nella maturazione e specializzazione delle cellule staminali neurali in neuroni (differenziazione neuronale) e ha scoperto che il processo è notevolmente simile per i neuroni corticali umani e di mosca con schemi di geni sovrapposti espressi durante le diverse fasi dello sviluppo.

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