CREB distingue fra geni e ambiente in uccelli da canto
DIANE RICHMOND
NOTE
E NOTIZIE - Anno XIII – 13 giugno 2015.
Testi pubblicati sul sito
www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind
& Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a
fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta
settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in
corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di
studio dei soci componenti lo staff dei
recensori della Commissione Scientifica
della Società.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
Noi condividiamo con gli uccelli da canto la caratteristica di essere specie altamente socializzate che sviluppano le proprie abilità di comunicazione nell’interazione con i conspecifici sotto l’influenza dell’esperienza sociale. Per il canto degli uccelli, così come per la parola, le influenze genetiche ed ambientali sono entrambe importanti e confluenti nella realtà funzionale che si sviluppa a partire dalla nascita. Per tale ragione, si è guardato agli uccelli canterini con interesse, anche al fine di ottenere modelli per la dissezione delle componenti genetiche da quelle acquisite nelle abilità di comprendere e trasmettere messaggi.
La similitudine fra la neuroanatomia funzionale del controllo del canto aviario e del linguaggio verbale umano, così come la condivisione di un fattore di trascrizione, quale FOXP2[1], nel controllo di canto e parola, hanno fatto ben sperare i ricercatori. Un problema, però, ha complicato il quadro: la difficoltà nella manipolazione genetica delle specie aviarie.
Kentaro Abe, Sumiko Matsui e Dai Watanabe dell’Università di Kyoto, in Giappone, hanno applicato con successo la tecnologia transgenica agli uccelli da canto, insieme con un collaudato paradigma di apprendimento del canto (song training paradigm) per manipolare separatamente i geni e l’ambiente sociale.
La
sperimentazione ha mostrato che la proteina CREB, che ha un ruolo praticamente
universale nei processi di memorizzazione, è indispensabile per l’apprendimento
di abilità vocali di comunicazione dopo la nascita (Abe K., et al., Transgenic
songbirds with suppressed or enhanced activity of CREB transcription factor. Proceedings of The National Academy
of Sciences USA – Epub ahead of print doi:
10.1073/pnas.1413484112, 2015).
La provenienza degli autori dello
studio è la seguente: Department of Biological Sciences, Graduate School of
Medicine, Kyoto University, Kyoto (Giappone); Precursory Research for Embryonic
Science and Technology, Japan Science and Technology Agency, Saitama
(Giappone).
A proposito di CREB (cAMP response element-binding protein) è interessante richiamare alla mente alcune nozioni relative alla sua fisiologia, in quanto la scoperta del suo ruolo ha contribuito in modo significativo alla comprensione dei meccanismi molecolari della memoria a lungo termine.
Quando avevano già accertato l’importanza dell’AMP-ciclico e della proteinchinasi A nella memoria di breve durata, il Premio Nobel Eric Kandel e i suoi collaboratori osservarono nell’apprendimento di Aplysia californica che, mentre un impulso singolo di serotonina accresceva l’AMP-ciclico e la proteinchinasi A, soprattutto al livello della sinapsi, impulsi ripetuti di serotonina producevano un incremento molto più elevato del nucleotide ciclico e lo spostamento della proteinchinasi A nel nucleo, dove era in grado di attivare i geni. Questa osservazione assumeva un’importanza capitale alla luce della nozione ormai acquisita della dipendenza della memoria di lunga durata dalla sintesi di proteine. Studi successivi dimostrarono che la proteinchinasi A si avvale di un’altra chinasi, la MAP chinasi, anche questa in grado di migrare nel nucleo e connessa alla crescita sinaptica. Questi dati confermarono l’ipotesi di Kandel che l’addestramento alla sensibilizzazione di Aplysia, così come l’esercizio che nella realtà umana migliora la prestazione in ogni campo, produce delle modificazioni stabili attraverso lo spostamento nel nucleo dei segnali connessi con la ripetizione sotto forma di chinasi.
La domanda successiva fu press’a poco: una volta nel nucleo cosa fanno le chinasi? Lavori recenti all’epoca delle osservazioni di Kandel, condotti su cellule diverse dai neuroni, avevano stabilito che la proteinchinasi A poteva attivare la proteina regolatrice CREB. Questo suggerì ai neuroscienziati che CREB potesse essere un elemento chiave del passaggio che converte la facilitazione, cioè il rafforzamento a breve termine delle connessioni sinaptiche, in una facilitazione a lungo termine e nella crescita di nuove connessioni.
Nel 1990 Dash, Hochner e Kandel scoprirono che CREB è presente nei neuroni sensoriali di Aplysia ed è essenziale per il rafforzamento a lungo termine delle connessioni sinaptiche sottostanti la capacità, da parte del mollusco, di sviluppare la forma di memoria nota come sensibilizzazione.
Dausan Bartsch scoprì che la semplice iniezione nel nucleo dei neuroni sensoriali di CREB, fosforilata dalla proteinchinasi A, era sufficiente ad attivare i geni che producono la facilitazione a lungo termine di queste connessioni. In breve: la serotonina agisce sul neurone sensoriale aumentando l’AMP ciclico e inducendo la proteinchinasi A e la MAP chinasi a spostarsi nel nucleo e ad attivare CREB; l’attivazione di CREB, a sua volta, determina l’espressione dei geni, che modifica la funzione e la struttura della cellula.
Nel 1995 Bartsch che in realtà esistono due forme della proteina CREB, come si poteva prevedere in base al modello di Jacob e Monod: CREB-1 che attiva l’espressione genica e CREB-2 che la sopprime. La ricerca degli anni seguenti ha confermato che le opposte azioni regolatrici di CREB costituiscono una soglia per l’immagazzinamento mnemonico, verosimilmente allo scopo di selezionare l’apprendimento delle esperienze importanti al fine della sopravvivenza e della riproduzione.
Torniamo al lavoro di Abe, Matsui e Watanabe dell’Università di Kyoto.
Come prima accennato, gli uccelli da canto sviluppano le loro abilità di percezione ed esecuzione di segnali vocali per la comunicazione dopo la nascita, come accade negli esseri umani per la parola, grazie ad influenze genetiche ed ambientali che agiscono di concerto nell’indurre lo sviluppo di tali abilità. Per approfondire la conoscenza dei meccanismi di tali influenze, i ricercatori hanno fatto leva sul fenotipo di uccelli transgenici con attività intrinsecamente modificata del fattore di trascrizione CREB.
In pratica, grazie alla modificazione del DNA genomico mediata da vettori virali, Abe e colleghi hanno definito nuove linee genetiche, con attività di CREB accresciuta o soppressa, di un uccello da gabbia di origine australiana. Si tratta di una specie spesso impiegata nella ricerca, comune nell’emisfero australe (Poephila guttata), conosciuta negli USA come zebra finch e riconoscibile per un piumaggio in prevalenza bianco e grigio, con barre nere in corrispondenza della coda.
Negli uccellini transgenici, le vocalizzazioni acquisite intrinsecamente, così come le abilità legate all’ascolto, non sono apparse alterate o in alcun modo interessate. Al contrario, le loro abilità di apprendimento del canto ne hanno risentito in maniera evidente: sono stati registrati, infatti, una ridotta qualità nella ritenzione del proprio stesso canto e una ridotta formazione di memorie uditive nel paragone con esemplari a genotipo naturale.
I risultati di questo studio dimostrano che un’attività appropriata di CREB è necessaria per l’acquisizione in epoca post-natale di un comportamento appreso negli uccelli da canto, e che la realizzazione di specie transgeniche offre l’opportunità unica di manipolare separatamente fattori genetici ed ambientali rilevanti per l’apprendimento di abilità acquisite in una funzione comunicativa.
L’autrice della nota ringrazia la
dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla
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