Comprensione Formazione cerebellare modello

Sono Kathy Millan. Sono Assistant Professor presso l'Università di Chicago presso il Dipartimento di Genetica Umana e anche presso il Dipartimento di Neurologia. E lavoro sullo sviluppo del cervello, e in particolare lavoro sullo sviluppo di Cere Butler, il cervelletto, la parte del cervello qui dietro il cranio.

Ed è famoso soprattutto per il suo ruolo nello sviluppo motorio, ma si scopre che è coinvolto in molte cose. Ed è una parte davvero interessante del cervello: la formazione dei modelli è lo sviluppo dei modelli in un sistema biologico. Ed è una di queste parole che i biologi dello sviluppo usano in modo un po' soffice per significare quasi tutto.

E non è davvero chiaro cosa significhi. Penso che ogni biologo dello sviluppo ti darebbe una versione diversa di ciò che significa per me. Ciò che significa è come fa il cervello, o in particolare il cervelletto, a sapere dall'alto e dal basso, come, come si definisce la sinistra e la destra?

Come si decide quale parte della struttura sarà, quale parte? E una volta che hai preso quelle decisioni critiche e fondamentali per l'embrione precoce, come fai a riunire tutta la struttura cellulare per formare la parte squisitamente modellata del cervello che chiamiamo cervelletto? Quindi siamo davvero interessati allo sviluppo cerebellare e alle informazioni sui modelli nel cervelletto in via di sviluppo.

Perché il cervelletto è un tessuto squisitamente modellato. Non ha molti strati cellulari e non ci sono molti tipi di cellule. Quindi, rispetto ad altre parti del cervello, è particolarmente, beh, è una struttura relativamente semplice.

E anche perché il cervelletto ha una funzione molto specifica, o una delle tante funzioni è la coordinazione motoria. Quando i topi o gli esseri umani hanno anomalie cerebellari, uno dei fenotipi risultanti è l'incoordinazione motoria. E così, nel corso di un centinaio di anni di genetica dei topi, ci sono stati diversi mutanti spontanei di topo che sono stati scoperti e caratterizzati in una certa misura, ma anche solo isolati e seduti sullo scaffale dei Jackson Labs, dove sono topi con anomalie motorie.

E un gran numero di questi topi, penso che ci siano più di 60 ceppi spontanei hanno anomalie dello sviluppo cerebellare. E questa risorsa è davvero preziosa per osservare quali sono i meccanismi di sviluppo che guidano la formazione del modello cerebellare. Quindi una cosa su cui il mio laboratorio si sta concentrando è prendere tutti gli strumenti che abbiamo dal Progetto Genoma Umano e dal Progetto Genoma del Topo, e usare quei reagenti molecolari per andare a trovare i geni che sono mutanti mutanti in tutti quei mutanti spontanei.

E trovando quei mutanti, adottiamo un approccio centrato sul fenotipo per trovare i geni. Quindi non prendiamo i geni a caso e li eliminiamo. Stiamo trovando fenotipi e geni perché, utilizzando questo approccio, stiamo trovando specificamente geni che sono particolarmente rilevanti per il sistema di interesse.

Quindi il nostro laboratorio e molti altri laboratori hanno clonato un certo numero di questi mutanti spontanei di topo. E questi mutanti spontanei di topo hanno portato a una nuova biologia davvero interessante. Perché stiamo adottando questo approccio guidato dal fenotipo.

Non abbiamo alcun preconcetto sul tipo di geni che troveremo. Non stiamo cercando specificamente analoghi dal ho o mutazioni di canale. Stiamo arrivando ai geni dettati dai fenotipi.

E per questo motivo, stiamo imparando un sacco di nuova biologia. Quindi, per esempio, uno dei geni o uno dei fenotipi su cui il mio laboratorio ha lavorato e insieme, quando ero un postdoc con un altro collega, Jim Linig, abbiamo lavorato su un mutante di topo chiamato dre, che in tedesco significa spinner o spinning like a trottola. E questi mutanti di topo sono apparsi per la prima volta nel 1929 in Germania e si sono accumulati nei Jackson Labs.

Ci sono più alleli di questo particolare locus, ed era noto che il cervelletto era formato in modo errato. Quindi tutti i tipi di cellule cerebellari erano lì, ma il modello del cervelletto era anormale. Mancava la parte centrale, quella centrale chiamata vero.

E abbiamo scoperto che c'era un fenotipo embrionale precoce in questi topi che ha portato a quel fenotipo adulto. E il fenotipo era il risultato di una mutazione in un gene chiamato LMX one A, che sta per limb homeo domain containing box one. Il gene L LMX one A si è trasformato in un gene davvero interessante e importante nella biologia dello sviluppo perché è uno dei geni più critici nel definire cosa c'è nel sistema nervoso centrale o cosa è dorsale.

E senza avere questa rara mutazione, nessuno sapeva davvero cosa facesse questo gene. In realtà, era stato trovato per altri motivi nelle cellule produttrici di insulina nel pancreas. E altre persone lo stavano studiando per un potenziale ruolo nel diabete.

Ma in realtà, si scopre che l'invecchiamento di quello LMX da solo non ha alcun ruolo nello sviluppo del pancreas o nello sviluppo delle cellule degli occhielli. E infatti, il suo ruolo principale nello sviluppo è quello di guidare il pattern dorsale nel sistema nervoso centrale. Quando abbiamo clonato per la prima volta il gene DR, il gene LMX one A, ci siamo resi conto che è espresso solo nella parte dorsale del sistema nervoso centrale.

E infatti, non si esprime solo nella parte dorsale del sistema nervoso centrale o nella placca del tetto che viene chiamata proprio intorno al cervelletto. In realtà è espresso nella parte dorsale del nervo centrale lungo l'intera lunghezza assiale dell'embrione di topo. E infatti, è espresso lungo l'intera lunghezza assiale di ogni vertebrato che abbiamo esaminato finora.

E poiché è espresso dorsalmente ovunque, abbiamo pensato che deve avere un ruolo dorsale in altre parti del sistema nervoso centrale. E quindi abbiamo passato molto tempo a caratterizzare il fenotipo dei topi DR nel midollo spinale perché il midollo spinale è in realtà un sistema modello molto migliore per comprendere lo sviluppo del SNC rispetto al cervelletto perché è molto meno complicato tridimensionalmente. Ha molta meno struttura tridimensionale.

Passando al pulcino, siamo stati in grado di sfruttare un gran numero di reagenti per capire quale fosse il ruolo di LMX one A nel midollo spinale. E dal midollo spinale, siamo tornati al cervelletto. E francamente, non credo che senza la tecnologia della chickation, avremmo davvero avuto una grande comprensione di ciò che fa il gene LMX, un postdoc nel mio laboratorio, Victor Chiko, è stata la persona che ha davvero preso questi esperimenti e li ha portati avanti.

Ed è stata la persona che ha effettivamente capito cosa fa il gene LMX, e il suo ruolo primario nel sistema nervoso centrale usando il sistema di elettroporazione Chick. E onestamente non credo che saremmo stati in grado di fare tanti progressi come abbiamo fatto senza l'elettroporazione dei pulcini. Quindi l'elettroporazione del pulcino è una tecnologia davvero preziosa perché è possibile sovraesprimere rapidamente i geni nel sistema nervoso del pulcino in via di sviluppo, ottenere un risultato dopo due o tre giorni di incubazione e ottenere fenotipi analizzabili.

Se si dovesse effettivamente provare a fare manipolazioni genetiche nei topi per animali transgenici, ciò richiederebbe diversi mesi e per knockout, eccetera, ci vorrebbe almeno un anno e mezzo. E quindi il sistema di chickation è un sistema davvero prezioso perché si può manipolare l'espressione genica e si possono scoprire rapidamente i fenotipi. Quindi l'invecchiamento di LMX quando è sovraespresso nel sistema nervoso del pulcino in via di sviluppo, in particolare nel midollo spinale in via di sviluppo, ha causato la trasformazione dell'intera parte dorsale del sistema nervoso centrale o del midollo spinale in una parte dorsale del sistema nervoso centrale o della placca del tetto.

E quindi quello che ci ha detto, in combinazione con un mucchio di altri esperimenti che Victor ha fatto, è che LMX one A da solo è responsabile del pilotaggio dell'intero programma di differenziazione della piastra del tetto. E questo è importante perché la placca del tetto è un centro di segnalazione critico nel sistema nervoso in via di sviluppo. Se non si dispone di una placca del tetto, non si secerne morfogeno per dire alle cellule del tubo neurale adiacenti di trasformarsi in neuroni sensoriali dorsali.

E senza questi segnali, quelle cellule entrano in uno stato predefinito di un tipo di cellula intermedio. E si perde la maggior parte dei neuroni dorsali nel, nel, nel midollo spinale, ma anche nel cervelletto in via di sviluppo. E non credo che saremmo stati in grado di arrivare facilmente a questa conclusione utilizzando qualsiasi altro sistema tranne il tubo neurale del pollo.

Siamo molto interessati allo sviluppo cerebellare, non solo per la biologia di base nei sistemi murini e anche nei pulcini, ma anche per le malformazioni cerebellari. E queste malformazioni cerebellari umane sono davvero poco comprese. E così, in collaborazione con un collega, il Dr. William Dobbins, uno degli esperti mondiali di malformazioni cerebrali umane, abbiamo avviato un progetto per trovare geni di malformazioni cerebellari umane.

E stiamo adottando diversi approcci. Una delle cose più importanti che abbiamo fatto è stata la creazione di un database del DNA e di un database clinico in cui abbiamo reclutato oltre 500 pazienti con malformazioni cerebellari umane definite e abbiamo raccolto immagini di risonanze magnetiche e le abbiamo anche correlate con campioni di DNA in modo da poterle utilizzare come risorsa per la caccia ai geni perché si scopre che le malformazioni cerebellari umane non sono affatto ben classificate. E direi onestamente che su 10 scansioni che riceviamo attraverso i nostri studi, almeno una di queste scansioni è una malformazione che non è mai stata descritta e non è stata realmente riconosciuta prima.

La malformazione cerebellare umana più comune è chiamata malformazione di Dandy Walker ed è quella più riconosciuta dai medici. Ma si scopre che è una sorta di diagnosi spazzatura del mondo cerebellare umano. Qualsiasi medico o molti medici, quando vedono un cervelletto anormale classificato come dandy walker.

E così reclutiamo pazienti nel nostro studio sulle malformazioni di Dandy Walker, e troviamo tutti i tipi di malformazioni cerebellari interessanti e diverse. Quindi stiamo usando questa risorsa per trovare nuovi geni dello sviluppo cerebellare, perché come biologo dello sviluppo, quello che penso è che gli esseri umani siano un grande esperimento di mutagenesi. Sono un'ottima fonte per trovare nuovi geni dello sviluppo.

Quindi stiamo adottando diversi approcci per trovare quei geni. Uno di questi approcci è quello di prendere i geni che abbiamo scoperto nei topi che hanno un ruolo nello sviluppo cerebellare e nel sequenziamento di quei geni negli esseri umani. E infatti, abbiamo recentemente identificato la prima mutazione umana LMX one A.

Finora ci sono state applicazioni davvero limitate della nostra ricerca scientifica di base nella ricerca clinica. Ma le cose stanno cambiando rapidamente. Man mano che stiamo scoprendo nuovi geni, possiamo fornire nuove informazioni di consulenza genetica alle famiglie dei bambini affetti.

E francamente, è qui che vedo l'impatto maggiore della nostra ricerca. Quindi la mia visione per il campo di cinque anni in cinque anni è che molte più scoperte genetiche saranno avvenute sia attraverso la caratterizzazione di modelli murini che anche attraverso il lavoro sulle malformazioni cerebellari umane. Ne sapremo di più sull'insieme di geni coinvolti nello sviluppo cerebellare.

E poi l'obiettivo dovrà essere come questi geni interagiscono tra loro, e come questi geni guidano la biologia vera e propria? Come guidano tutti i diversi eventi cellulari che si verificano per formare un cervelletto? E penso che il cervelletto sia davvero un modello ideale per l'intero sistema nervoso centrale perché, francamente, ci sono solo cinque o sette tipi di cellule neuronali principali.

Sono tutti disposti in modo stereotipato e vario. Stiamo imparando sempre di più sulle molecole che guidano la specificazione e la differenziazione precoce di questi progenitori. Stiamo capendo sempre di più come proliferano queste cellule.

Quindi penso che tra più di cinque anni, ma alla fine vedo che il campo sarà in grado di andare dallo sviluppo del tubo fino allo sviluppo cerebellare per raggiungere la forma matura del cervelletto. E penso che, poiché il cervelletto è un sistema relativamente semplice, abbiamo la speranza di capire effettivamente le molecole e gli eventi di sviluppo che guidano la formazione dell'intera parte centrale dell'intero cervelletto. E penso che questo sia davvero importante, non solo per il campo della diagnosi genetica negli esseri umani, ed è importante per il campo dello sviluppo cerebellare, ma penso che avremo anche applicazioni di questi meccanismi ad altre parti del cervello.

Il cervelletto è una struttura relativamente semplice, ma molti degli eventi di sviluppo non saranno esclusivi del cervelletto. Possiamo portare ciò che abbiamo imparato dal cervelletto ad altre regioni più complicate del sistema nervoso centrale come la corteccia cerebrale, e prendere le lezioni e i percorsi che abbiamo imparato e capire come si applicano al resto del cervello.