Neuronal differentiation processes: lessons from neuroblastoma models

Abstract

During animal development, a single fertilised egg cell divides and differentiates to produce all of the cells and tissues of the mature organism. Defining the complexity of signals and regulation mechanisms governing organism’s development represents a steep challenge, even nowadays. In this scenario, the nervous system formation and maturation are probably two among the most fascinating fields of developmental biology yet to be completely understood. Fundamental steps of these processes, going from the induction of neural plate to the establishment of rigorous interconnections among billions of nerve cells, are conserved within the Animalia kingdom. In fact, many aspects concerning above all anatomical features of the nervous system development have been clarified thanks to the use of simple model organisms such as, Drosophila, Xenopus and C. elegans. However, many questions remain to be addressed. A valid replacement of the model organisms, especially for the comprehension of molecular and cellular aspects of the nervous system development, is represented by neuroblastoma cell lines. These systems are extremely suitable to investigate basic, but critical, phases of neuronal differentiation. By treatment with specific substances, able to induce differentiation, neuroblastoma cells display, in vitro, typical characteristics of neurons maturation like the up-regulation of differentiation-related genes, the expression of neurofilaments and the outgrowth of dendrites and axons. In this thesis work four neuroblastoma cell lines have been employed to examine two known, and still debated, phenomena characterising the initial moments of neuronal differentiation: programmed cell death (PCD) and non-synaptic role of the neurotransmitters. The study has revealed new insights in the regulation of these processes, identifying MYCN as a new regulator of PCD at early stages of differentiation and the nucleoskeletal protein Lamin A/C as a possible effector/intermediate of the acetylcholine receptors (AChRs) molecular cascade.

Durante lo sviluppo animale, una singola cellula uova fecondata é in grado di dividersi e differenziare per produrre tutte le cellule e i tessuti dell’organismo maturo. Definire la complessità dei segnali e dei meccanismi di regolazione che governano lo sviluppo di un organismo rappresenta ancora oggi una sfida di enorme portata. In questo scenario, la formazione e la maturazione del sistema nervoso sono probabilmente due tra i più affascinanti campi della biologia dello sviluppo ancora non completamente chiariti. Momenti fondamentali di questi processi, a partire dall’induzione della placca neurale fino allo stabilirsi di rigorose interconnesioni tra milioni di cellule nervose, sono conservati all’interno del regno animale. Infatti, molti aspetti riguardanti principalmente le caratteristiche anatomiche dello sviluppo del sistema nervoso sono stati messi in luce grazie all’utilizzo di semplici organismi modello quali, Drosophila, Xenopus e C. elegans. Tuttavia, molti quesiti restano da risolvere. Un valido sostituto degli organismi modello, principalmente per la comprensione degli aspetti molecolari e cellulari dello sviluppo del sistema nervoso, é rappresentato dalle linee cellulari di neuroblastoma. Questi sistemi risultano estremamente utili per studiare fasi basilari, ma allo stesso tempo critiche, del differenziamento. Grazie al trattamento con specifiche sostanze, in grado di indurre il differenziamento, le cellule di neuroblastoma mostrano, in vitro, caratteristiche tipiche della maturazione dei neuroni come la up-regolazione di geni coinvolti nel differenziamento, l’espressione dei neurofilamenti e la crescita di dendriti e assoni. In questa tesi quattro linee di neuroblastoma sono state utilizzate per esaminare due fenomeni noti, ma ancora dibattuti, tipici delle prime fasi del differenziamento neuronale: la morte cellulare programmata (PCD) e il ruolo non-sinaptico dei neurotrasmettitori. Lo studio condotto ha portato a definire nuovi punti riguardanti i due processi, identificando MYCN come nuovo regolatore della morte cellulare programmata durante le fasi precoci del differenziamento e la proteina nucleosheletrica Lamina A/C come un possibile effettore/intermedio della cascata molecolare attivata dai recettori per l’acetilcolina (AchRs).