Cyclical neurogenesis and neurodegeneration in the colonial tunicate Botryllus schlosseri

Nel presente lavoro, ho studiato il sistema nervoso e sensoriale dell'ascidia coloniale Botryllus schlosseri durante lo sviluppo dell’embrione, delle gemme e degli individui adulti appartenenti a colonie giovani e meno giovani. In B. schlosseri, gli individui (blastozooidi) sono organizzati in sistemi a forma di stella. La colonia è composta, oltre che da zooidi adulti, da gemme e gemmine che si sviluppano tramite riproduzione asessuata, o blastogenesi, rispettivamente dagli zooidi adulti e dalle gemme. Ciclicamente, durante una fase chiamata takeover (rappresentante il momento di cambio di generazione), gli zooidi adulti vengono progressivamente riassorbiti dalla colonia e sostituiti nelle loro attività fisiologiche dalle loro gemme che diventano quindi i nuovi adulti della colonia. Inoltre, durante questa fase di cambio generazionale, le gemmine maturano in gemme producendo a loro volta una nuova generazione di gemmine. Nella vita di una colonia, riproduzione sessuata e asessuata sono coordinate e cicliche. Inizialmente, ho rivisto gli studi storici riguardanti B. schlosseri con lo scopo di caratterizzare il ciclo di vita della colonia e lo sviluppo delle gemme. Ho poi confrontato la formazione del sistema nervoso nei due diversi percorsi di sviluppo che caratterizzano B. schlosseri: l'embriogenesi e la blastogenesi. Poiché la fecondazione e lo sviluppo embrionale in questa specie avvengono all’interno del corpo del genitore, ho sviluppato un metodo per coltivare gli embrioni in vitro. Integrando le osservazioni in vivo, al microscopio confocale, l’istologia e ricostruzioni 3D basate su sezioni seriali, ho descritto lo sviluppo embrionale nel tempo. Successivamente, grazie al sequenziamento di embrioni e gemme nelle diverse fasi di sviluppo, ho studiato la stretta relazione temporale presente tra gli eventi morfogenetici e il pattern di espressione dei geni associati al sistema nervoso durante la formazione del cervello nell’embrione, la sua degenerazione alla metamorfosi, la formazione del cervello adulto nella gemma, e la sua degenerazione durante il takeover. Inoltre, ho studiato il sistema nervoso durante la vita degli individui adulti e appartenenti a colonie di diversa età. A riguardo, ho osservato che il numero di cellule cerebrali cambia durante tutta la vita dello zooide adulto seguendo uno specifico trend. La microscopia elettronica a trasmissione e le analisi TUNEL sui cervelli adulti hanno dimostrato che l'apoptosi è coinvolta nella neurodegenerazione e il numero di immunociti che contattano o si infiltrano nel cervello aumentano di numero durante la vita adulta. Questi cambiamenti nel numero di cellule cerebrali sono accompagnati anche da simili variazioni nel numero di cellule sensoriali. Inoltre, ho sviluppato due nuovi esperimenti comportamentali dimostrando che la capacità degli zooidi di rispondere a stimoli meccanici è in stretta relazione con il numero di cellule cerebrali e sensoriali. In seguito, ho confrontato la morfologia del sistema nervoso ed eseguito esperimenti comportamentali in individui adulti appartenenti sia a colonie giovani sia a quelle meno giovani, rilevando che l'invecchiamento influenza entrambi questi aspetti. Infine, ho analizzato i geni differentemente espressi nei cervelli di individui appartenenti a colonie giovani e vecchie scoprendo che le vecchie colonie mostrano un modello genetico associato a diverse malattie neurodegenerative umane, come il morbo di Alzheimer. Infine, ho studiato l'organo coronale, un meccanorecettore situato sui tentacoli del sifone orale, ritenuto omologo alle cellule capellute dei vertebrati. Ho analizzato il suo citodifferenziamento durante la riproduzione asessuata e documentato il deterioramento meccanosensoriale a livello morfologico e comportamentale causato dalla gentamicina. Nei mammiferi, la gentamicina può distruggere sia le cellule capellute che i neuroni sensoriali associati. Il pre-trattamento con fenofibrato, una sostanza che protegge rispetto all’azione della gentamicina, seguito da un trattamento con gentamicina, non produceva alcun effetto significativo sul comportamento animale. Questi risultati supportano l'ipotesi dell'omologia tra cellule capellute dei vertebrati e cellule sensoriali coronali tunicate. In conclusione, la ricerca qui presentata mostra che B. schlosseri può essere considerato una specie modello utile per analizzare lo sviluppo del sistema nervoso centrale e del sistema sensoriale, così come la sua degenerazione causata da farmaci, metamorfosi, takeover e invecchiamento. Inoltre, i diversi percorsi di sviluppo della specie consentono interessanti confronti evolutivi, sia a livello morfologico che molecolare, che possono aiutare a comprendere l'origine del fenotipo animale.