F/3Contactin: un componente della superfamiglia delle immunoglobuline implicato nello sviluppo della corteccia cerebrale

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    INTRODUZIONE 
 
 
1.  INTERAZIONI CELLULARI  E MOLECOLARI 
IMPLICATE NELLA  CORTICOGENESI 
 
La corteccia cerebrale si contraddistingue per le sue caratteristiche 
strutturali (laminazione, connettività), citologiche (differenze tra 
popolazioni neuronali) e funzionali (specificità delle aree) (Zigmond, 
Bloom, Landis, Roberts, Squire 2001). Tale complessità anatomo-
funzionale è il risultato di un processo geneticamente determinato e 
conservato nell’evoluzione, il quale è articolato in fasi successive, le cui 
basi molecolari sono tuttora in corso di definizione. Tali fasi implicano 
l’articolazione temporalmente coordinata di processi differenti illustrati 
nella figura 1.  
 
Figura 1:  Rappresentazione  
schematica dei principali  
eventi implicati nello svilup- 
po del tessuto nervoso. 
 
 
 
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Uno degli eventi più precoci della neurogenesi è rappresentato dalla 
proliferazione dei precursori sia neuronali che gliali; essa ha luogo nelle 
zone germinative che, nella corteccia in via di sviluppo corrispondono 
alle zone ventricolare e subventricolare. Questo processo genera il pool 
di cellule che daranno quindi luogo ai differenti elementi differenziati tipici 
del sistema nervoso maturo (Anderson et al., 2001). 
 Una volta che i precursori siano stati determinati in un senso o 
nell’altro, la fase successiva sarà quella dell’espansione clonale 
attraverso la quale essi proliferano nelle differenti zone germinative al 
fine di colonizzare le diverse aree corticali.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2: Espansione clonale dei precursori corticali 
 
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 Questa fase è essenziale in quanto definisce l’estensione delle 
differenti regioni del tessuto nervoso (Shenn and Walsh, 2003). Ad 
esempio la dimensione delle varie aree della corteccia cerebrale dipende 
per l’appunto dalla regolazione di un tale processo. Nella regolazione 
degli eventi proliferativi, oltre che l’ingresso nel ciclo cellulare e cioè in 
fase S, uno dei punti critici è rappresentato dai meccanismi qualche 
conducono gli elementi proliferanti ad uscire dal ciclo cellulare. Nel loro 
insieme,tali meccanismi definiscono infatti  la dimensione del pool dei 
precursori (Ohnuma S. et al.,2001).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
              Figura 3: Fasi del ciclo cellulare dei precursori corticali  
 
 Successivamente, all’uscita dal ciclo mitotico, le cellule destinate a 
differenziarsi in senso neuronale vanno incontro a migrazione, 
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utilizzando come guida elementi gliali adiacenti ed in particolare i loro 
processi.  Alternativamente, essi possono utilizzare prolungamenti 
assonici di altri elementi neuronali. Questi due diversi modelli 
condurranno ad una migrazione di tipo radiale, tipica principalmente delle 
cellule della zona ventricolare, oppure tangenziale, tipica degli elementi 
provenienti dalle eminenze mediale e laterale, nonché dalla regione 
olfattoria (Nadarajah and Parnavelas, 2002). Attraverso tali processi i 
neuroni neoformati raggiungono la  propria sede nella corteccia 
cerebrale, con conseguente definizione delle mappe corticali. E’ da 
notare come nella definizione della sede di destinazione dei precursori 
contino da un lato il momento ontogenetico in cui essi vengono generati, 
e dall’altro le interazioni che essi stabiliscono con gli altri elementi 
cellulari dei diversi strati corticali. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 4: Processi migratori dei precursori corticali 
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L’insieme di tali processi condurrà quindi i precursori verso il 
differenziamento, il che comporterà da un lato, l’acquisizione di uno 
specifico fenotipo sul piano morfologico, e, dall’altro, una specificità 
funzionale. A sua volta questa comporterà la formazione di specifiche 
connessioni tra le cellule e l’acquisizione da parte di queste ultime del 
corredo enzimatico necessario per la produzione e l’immagazzinamento 
di specifici neuromediatori.  
 
 
 
1.1  Processi proliferativi dei precursori neuronali 
Uno degli aspetti chiave della neurogenesi è, dunque, quello attraverso il 
quale  viene generato l’insieme delle cellule che costituiranno il tessuto 
nervoso, cioè la proliferazione cellulare. Questa avviene attraverso fasi 
successive, temporalmente e spazialmente coordinate con la formazione 
del tubo neurale ed in particolare della sua parete.  
 In una fase molto precoce (8°-9° giorno di vita embrionale nel topo), 
quest’ultima presenta uno spessore di una singola cellula. Tuttavia, la 
successiva proliferazione conduce ad un ispessimento della zona 
germinativa, la quale si converte da un semplice foglio neuroepiteliale in 
una struttura complessa multilaminare, composta da numerosi strati. Una 
tappa chiave in questo processo comprende, quindi, la creazione di una 
zona proliferativa, in stretto contatto con la parete ventricolare, 
denominata zona ventricolare. Questa zona presenta una debole 
densità cellulare e comprende elementi che vanno incontro ad una serie 
di movimenti sincroni con le differenti fasi del ciclo cellulare. Nell’insieme 
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tale processo, che è già noto da nemerosi anni, va sotto il nome di 
Migrazione Nucleare Intercinetica, (Figura 5, Seymour and Berry, 
1975) ed  implica diverse fasi durante le quali gli elementi proliferativi 
vanno incontro alle diverse fasi del ciclo cellulare occupando, in  
ciascuna di esse una posizione differente rispetto alla parete 
ventricolare, In particolare essi si spostano tra le due zone, basale ed 
apicale in modo che la fase S ha luogo essenzialmente nella zona 
basale, situata a maggior distanza dal bordo ventricolare. 
Successivamente, dopo esser passati attraverso la fase G2 essi 
transitano  in  fase M in stretto contatto con la parete ventricolare. Gli 
stessi elementi passano poi attraverso la fase G1 durante il loro tragitto 
verso la zona basale ove essi possono rientrare in fase S e, quindi, 
riprendere il ciclo cellulare. Alternativamente, essi possono uscire dal 
ciclo nell’intervallo tra fase G1 ed S, avviandosi verso il loro destino 
differenziativo che li porterà in uno strato ben definito della corteccia in 
formazione, la cui sede dipende largamente dal momento in cui il 
precursore in questione si sviluppa.  
 
Figura 5: Migrazione intercinetica dei precursori neuronali nella zona 
ventricolare 
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 Ciò fa si che gli elementi postmitotici si organizzino nei differenti 
strati della corteccia in formazione i rapporto con il timing esatto della 
loro uscita dal ciclo cellulare. Un primo strato è rappresentato dalla 
preplacca (preplate), in cui non esiste ancora un’organizzazione 
laminare. Nell’ambito di quest’ultima viene poi definita la placca 
corticale, da cui si genereranno i diversi strati corticali e che separa la 
una zona marginale, situata superficialmente, dalla sottoplacca 
(subplate) situata più profondamente. Queste varie zone daranno quindi 
luogo ai diversi strati della corteccia cerebrale dell’animale adulto, in cui i 
diversi neuroni troveranno la loro collocazione in base alla loro data di 
nascita (Britz et al., 2006; Gal et al.,2006), mediante un processo di 
migrazione radiale in cui viene seguito un ordine ben definito. Infatti, i 
neuroni generatisi per primi nella zona ventricolare andranno poi a 
localizzarsi negli strati più profondi, mentre quelli nati successivamente 
occuperanno strati successivamente più superficiali (processo inside-out, 
Figura 6), seguendo l’andamento della migrazione radiale (Valcanis and 
Tan, 2003). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6: Migrazione radiale dei precursori corticali 
             
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1.2 Processi migratori dei precursori neuronali 
 
 Durante la neurogenesi corticale si passa da una prima fase, 
caratterizzata da migrazione intercinetica, tipica di elementi ancora in 
fase proliferativa, che serve ad espandere il pool dei precursori, ad una  
fase successiva in cui gli elementi che sono già usciti dal ciclo cellulare si 
muovono attraverso un meccanismo di migrazione radiale che li porta ad 
occupare la primitiva placca corticale. In questa fase migratoria, più 
duratura nel tempo e più rilevante dal punto di vista quantitativo, i neuroni 
post-mitotici utilizzano come guida i processi della glia radiale, che si 
estendono dalla zona ventricolare sino  alla superficie  piale (Gal et al., 
2006)  (Figura 6). La succitata relazione tra la data di nascita di un 
neurone corticale e la sua sede di destinazione nell’ambito della 
corteccia è correlabile con quelle che sono le proprietà di superficie dei 
precursori, le quali definiscono l’estensione dei processi migratori 
attraverso la scelta del target che quindi ne definisce la localizzazione 
nell’ambito dei diversi strati corticali producendo dei segnali di stop ai 
processi migratori. Durante tali processi i precursori neuronali 
interagiscono con la glia radiale, i cui  prolungamenti fanno da guida per  
suddetti neuroni. I precursori in migrazione, infatti, si spostano 
lentamente lungo questi prolungamenti fino a raggiungere le rispettive 
destinazioni. Oltre che a definirne la localizzazione nell’ambito della 
corteccia l’interazione tra precursori neuronali e glia radiale regola altresì 
i loro processi differenziativi ed in particolare l’acquisizione di una 
specifica morfologia degli elementi migranti. (Hatten, 1993; Metin et al., 
2005). Pertanto, oltre che per i processi migratori, tale interazione è 
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importante anche perché promuove i processi differenziativi ed induce 
l’acquisizione di uno specifico fenotipo in termini di corredo di 
neurotrasmettitori. 
 Oltre al modello suddescritto, i neuroni possono seguire  modelli  di 
migrazione differenti, come avviene per i neuroni post-mitotici derivanti 
dalle eminenze gangliari. Questi precursori neuronali utilizzano per le 
loro traiettorie di migrazione supporti costituiti da traiettorie assoniche. In 
tal modo, essi raggiungono le loro stazioni terminali (l’ippocampo, il 
talamo dorsale, o la corteccia), secondo una modalità migratoria priva di 
rapporti con i processi gliali, seguendo una traiettoria tangenziale. Un 
esempio di migrazione tangenziale è offerto dai precursori degli 
interneuroni corticali GABAergici (Rakic, 2003) la cui attività motogenica 
sembra essere regolata  dal fattore di crescita e di diffusione denominato 
HGF/SF (hepatocyte growth factor/scatter factor) (Powell et al., 2001). La 
soppressione dell’espressione di tale fattore interferisce con la 
migrazione delle cellule dall’eminenza gangliare con conseguente 
significativa riduzione del numero degli interneuroni alla nascita. Altri 
fattori trofici di origine nervosa come le neurotrofine ed in particolare la 
Neurotrofina 4 sembrano stimolare la migrazione dei neuroni corticali  e 
sono per questo considerati potenti fattori motogenici (Polleux et al., 
2002; Pozas and Ibanez, 2005).  
 
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             Figura 7: Modelli di migrazione tangenziale dei precursori neuronali 
 
1.3 Differenziamento neuronale e gliale: meccanismi molecolari 
implicati 
 La complessità dei processi proliferativi e migratori è poi correlata 
con quella dei processi differenziativi, il che rende la corticogenesi un 
evento estremamente vulnerabile sia di fronte a fattori geneticamente 
determinati che a cause esogene. Pertanto, una precisa regolazione dei 
meccanimìsmi di cui sopra é fondamentale per una corretta neurogenesi 
corticale, così come lo è la coordinazione tra eventi proliferativi e 
differenziativi. In particolare ciascuno di tali eventi pone specifici quesiti 
riguardo i meccanismi cellulari e molecolari soggiacenti. Tali quesiti 
concernono la specificità delle connessioni ed i loro substrati molecolari, 
così come i meccanismi attraverso i quali gli elementi neuronali scelgono 
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la direzione e la durata dei processi migratori, nonché la meta da 
raggiungere. Simili problematiche riguardano i meccanismi attraverso cui 
gli assoni crescono e si sviluppano lungo determinate traiettorie, 
raggiungendo specifiche cellule bersaglio con cui stabiliscono precise 
connessioni. Da quanto sopra, si evince agevolmente come tali 
meccanismi siano strettamente correlati l’un l’altro.  
 Tali meccanismi possono essere inclusi in due ordini di categorie. 
Essi possono, infatti, essere geneticamente determinati e quindi correlati 
con lo specifico programma di differenziamento della cellula; oppure 
possono risultare da processi di segnalamento che hanno luogo tra gli 
elementi cellulari. Questi ultimi sono il risultato di precise interazioni 
molecolari che avvengono “in trans” alla superficie dei neuroni, attraverso 
i quali le cellule nervose influenzano in maniera reciproca il loro 
comportamento, subendo peraltro l’azione dell’ambiente che le circonda.  
 Si può dunque concludere che, nel controllo degli eventi 
ontogenetici di cui sopra, siano implicati sia fattori correlati con il 
programma di sviluppo e di differenziamento della cellula, sia fattori 
estrinseci o epigenetici, dipendenti dalle interazioni che le cellule 
stabiliscono con l’ambiente esterno. E’ peraltro largamente accettato, 
oramai, che tra queste due categorie di meccanismi esistano delle larghe 
interazioni, cosicché essi possano essere implicati in un largo 
programma di sviluppo.  
 Il legame tra fattori genetici ed epigenetici nello sviluppo è 
rappresentato da quelle molecole che sono espresse sulla superficie 
cellulare, ed i cui geni possono essere controllati attraverso gli stessi 
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meccanismi che regolano lo sviluppo (es. geni omeotici), ma che sono 
sottoposte a regolazione anche da fattori esogeni, che rappresentano, 
quindi, la compenente epigenetica della regolazione ontogenetica.  
Nel prossimo capitolo saranno analizzate le proprietà strutturali e 
funzionali di tali molecole e il loro coinvolgimento nei differenti aspetti 
della neurogenesi.  
 
 2. MOLECOLE ADESIVE DEL SISTEMA NERVOSO 
 
Le interazioni tra cellule, o tra queste e componenti della matrice 
extracellulare svolgono un ruolo di estrema importanza nello sviluppo. 
Esse possono essere classificate in due gruppi: quelle mediate da fattori 
diffusibili e quelle che dipendono dalla formazione di contatti fisici tra 
cellule, o tra cellule e ambiente extracellulare. E’ in quest’ultimo caso che 
si parla di adesione cellulare e le molecole coinvolte sono molecole 
adesive (Thiery, 2003; Yamagata et al., 2003; Karagogeos., 2003; 
Sakisaka et al.,2005).  
 Le molecole adesive si sono rivelate implicate in numerosi aspetti 
della neurogenesi come la proliferazione dei precursori, la loro 
migrazione ed il loro diffrenziamento, compresa la formazione di 
traiettorie assoniche e la sinaptogenesi (Bizzoca et al., 2003; Pennarz et 
al. 2004; Bonfanti, 2006). Le interazioni mediate da tali molecole sono 
dunque essenziali sia per la formazione della complessa rete di 
connessioni neurali, sia per il loro corretto funzionamento.  
 Sul piano strutturale sono state descritte diverse famiglie di 
molecole adesive neurali. Queste includono la superfamiglia delle 
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Immunoglobuline (Maness and Schackner 2007; Rougon and Hobert, 
2003), le Caderine (Takeichi, 2007), le Integrine (Milner and Campbel 
2002) e le Semaforine (Tamagnone and Camoglio, 2000; Fiore et al., 
2003). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 8: Principali famiglie di molecole adesive del tessuto nervoso 
 
           2.1. LA SUPERFAMIGLIA DELLE IMMUNOGLOBULINE ( IgSF) 
 
 La superfamiglia delle Immunoglobiline (IgSF) (Williams and 
Barclay, 1988; Brummendorf  and Rathijen,1996; Kamiguchi and 
Lemmon., 2000) rappresenta il gruppo più ampio di molecole coinvolte 
nelle interazioni molecolari e nella formazione di contatti cellulari nel 
tessuto nervoso ed immune.