Ruolo di Pax6 nello sviluppo del sistema nervoso degli amnioti

In the developmental biology field, a key role is assumed by the master genes, able to trigger an activation and repression chain of a lot of genes, modelling the embryo through an epigenetic control. In 1991 a Norwegian research team in Tromsø University studying the Zebrafish (Danio rerio) neurogenesis succeeds in identifying a gene able to code for a paired box protein expressed in the neural tube called with the name Pax|zf-a|, later renamed Pax6 in the next publications. Then this "Master gene" turned out to be ubiquitous inside the nervous system cells, especially in the telencephalon, rhombencephalon and spinal cord in which leads to cellular maturation, differentiation and proliferation. Different expressions of Pax6 affect even the pallium architecture in different amniote species, with deep structural modifications. In 2016 a German research team in Mainz University analyzed Pax6 studying the action in the molecular level. The investigation was carried out on mouse DNA, spotting the Pax6 target genes by (chromatin immunoprecipitation ChIP). Such sequences were extracted and tested through microarray showing a high affinity in the promotor sequences, compared with the other ones. This pushed them to focus on the relationship between the Pax6 binding sequences and the ones of other active transcription elements by a bioinformatic approach. A transcriptome comparative analysis by RNA-seq between the Sey mutant and Wild type underlined modification in Biological Process applying the gene ontology analysis. A program called ISMARA allowed a bioinformatic transcriptome study based on showing all the possible transcription factor interactions, this brought them to identify Sox2 as an element often associated with Pax6 in the promotors and revealed a new transcription factor: Asc11, that shares 44% of Pax6 targets and 25% of Sox2 ones. Asc11 is a transcription factor that leads and maintains the neurogenesis and Delta-Notch signalling genes under Pax6-Sox2 control, ensuring the proper morphogenesis and the neuronal protrusions development. Another transcriptional factor studied was IFT74. This one together with other factors forms a complex that binds and transports the tubulin, fundamental, for the cellular protrusions generation. This research defines clearly Pax6 action in the neurogenesis control and in nerve cell differentiation. Pax6 could be defined as "the first trigger" that will operate a large-scale effect, activating new transcriptional factors in the nervous system and modifying the Delta-Notch signalling, which is able to orchestrate the neurogenesis. Furthermore, Pax6 reveals even an autoregulatory system with its promoter necessary for stem cell activity in the nerve cells. For these reasons, homozygotic mutations show lethal effects and even heterozygotic mutation are the cause of genetic illnesses such as Gillespie syndrome and optic nerve coloboma. This study on how Pax6 goes to regulate the neurogenesis development, improving and confirming much knowledge, both in the evolutionary field and in nerve cell differentiation pathway, furthermore revealing new possible interactions between transcription factors that need additional studies for discovering their role in transcription. This will help us to better understand how our nervous structures evolve from the beginning until the adult age, as well as offer the chance to find therapies for the illnesses associated with its mutations; giving us hope for future treatments in patients affected by this orphan disease.

Nellambito della biologia dello sviluppo, un ruolo chiave è stato assunto dai geni master, capaci di innescare a cascata lattivazione e la repressione di numerosi geni, modellando lembrione attraverso un controllo epigenetico. Nel 1991 un team di ricerca norvegese dellUniversità di Tromsø studiando la neurogenesi nello zebrafish (Danio rerio) è riuscito ad identificare un gene che codificava per una proteina paired box espressa nel tubo neurale indicata con il nome di Pax|zf-a|, rinominata Pax6 nelle successive pubblicazioni. Questo Master gene si dimostrò poi ubiquitario allinterno delle diverse cellule del sistema nervoso, specialmente nel telencefalo, rombencefalo e midollo spinale, nei quali guida la maturazione, il differenziamento e la proliferazione cellulare. La diversa espressione Pax6 influenza anche larchitettura del pallio nelle diverse specie di amnioti con profonde modifiche strutturali. Nel 2016 un team di ricerca dellUniversità di Mainz (Germania) ha analizzato Pax 6, studiandone lazione a livello molecolare. Lindagine è stata eseguita sul DNA di topo, individuando i bersagli di Pax6 con una (chromatin immunoprecipitation ChIP); tali sequenze sono state saggiate su un microarray mostrando una maggiore affinità (enrichment) nelle sequenze dei promotori rispetto ad altre regioni. Questo ha spinto a investigare la relazione tra le sequenze di legame di Pax 6 e di quelle di altri elementi attivi coinvolti nella trascrizione attraverso uno approccio bioinformatico. Unanalisi comparativa del trascrittoma mediante luso di RNA-seq tra Sey mutant e Wild type ha evidenziato modifiche nei Biological Process applicando la gene ontology analysis. Unaltro programma chiamato ISMARA ha permesso anche uno studio bioinformatico del trascrittoma dal punto di vista delle interazioni tra i diversi fattori di trascrizione identificando Sox2 come elemento spesso associato a Pax6 a livello dei promotori oltre allidentificazione di un nuovo fattore di trascrizione chiamato Asc11, il quale condivide il 44% dei bersagli di Pax6 e il 25% di Sox2. Asc11 è un fattore di trascrizione mantiene attivi i geni della neurogenesi e della segnalazione Delta-Notch sotto il controllo di Pax6-Sox2, garantendo la corretta morfogenesi e lo sviluppo di protrusioni neuronali. Sotto indagine è stato messo anche un altro fattore di trascrizione detto IFT74. Questo, insieme ad altri fattori, costituisce un complesso che lega la tubulina e la trasporta, requisito fondamentale per la generazione di protrusioni cellulari. Questo studio definisce più chiaramente lazione di Pax6 nel controllo della neurogenesi e nella differenziazione delle cellule nervose. Pax6 può essere definito la prima miccia che opererà in più larga scala attivando nuovi fattori di trascrizione a livello nervoso e modificando la via di segnalazione di tipo Delta-Notch che guiderà la neurogenesi. Pax6 rivela anche un sistema autoregolatorio con il suo promotore, necessario per il mantenimento della staminalità; per queste ragioni mutazioni omozigotiche hanno effetti fenotipici letali e persino le mutazioni eterozigotiche sono causa di malattie genetiche gravi come la sindrome di Gillespie ed il coloboma del nervo ottico. Questo studio sul modo in cui Pax6 va a regolare lo sviluppo della neurogenesi ha migliorato e confermato molte delle nostre conoscenze sia a livello evoluzionistico sia a livello del pathway di differenziazione delle cellule neuronali, oltre a rivelare nuove interazioni con altri fattori di trascrizione che richiedono studi mirati per comprenderne il ruolo nella trascrizione. Questo ci aiuterà a comprendere meglio come le nostre strutture nervose si evolvono dalle prime fasi fino alletà adulta, oltre che a offrire la possibilità di cercare terapie adatte per le patologie associate ad una sua mutazione; regalando una speranza di cura anche ai pazienti affetti da queste malattie orfane.