Effetti delle singole frazioni raccolte mediante SEC sull’induzione della sensitizzazione

Gli effetti di ogni singola frazione raccolta mediante SEC sono stati saggiati su animali naïves. 10 gruppi di 7 sanguisughe ciascuno sono stati sottoposti ad una sessione di sensitizzazione. Quindi ogni gruppo è stato iniettato con una singola frazione alla concentrazione proteica finale di 0,02 µg/µl, somministrata in due iniezioni ciascuna di 150 µl/g di peso dell’animale, e un’ora dopo sottoposto ad una seconda sessione di sensitizzazione.

In Figura 4-4 sono riportate le risposte ottenute da animali iniettati con la frazione 1 (Figura 4-4A), 5 (Figura 4-4B) e 8 (Figura 4-4C) corrispondenti ai picchi osservati ai tempi di ritenzione di 5,42, 7,89 e 9,18 minuti rispettivamente. La frazione 1 (prima dell’iniezione, (), Lm: 1,17 ± 0,14 s; stimolo 1: 0,71 ± 0,08 s; stimolo 2: 0,76 ± 0,18 s; stimolo 3: 0,75 ± 0,09 s; dopo l'iniezione, (_{), Lm: 1,13 ± 0,14 s ; stimolo 1: 0,74 ± 0,08 s; stimolo 2: 0,74 ±} 0,10 s; stimolo 3: 0,77 ± 0,10 s) e la frazione 5 (prima dell’iniezione, (), Lm: 1,20 ± 0,08 s; stimolo 1: 0,91 ± 0,11 s; stimolo 2 : 0,98 ± 0,11 s; stimolo 3: 0,90 ± 0,11 s; dopo l’iniezione, (_{), Lm: 1,14 ± 0,12} s; stimolo 1:0,87 ± 0,15 s; stimolo 2: 0,85 ± 0,14 s; stimolo 3: 0,84 ± 0,13 s) non hanno modificato sostanzialmente l'induzione della sensitizzazione (F1,12 = 0,0001, p = 0,99; F1,12 = 0,09, p = 0,77,

rispettivamente), mentre l’iniezione della frazione 8, corrispondente ad un peso molecolare di circa 10,9 kDa ha indotto un significativo potenziamento delle risposte dopo brushing nella seconda sessione di sensitizzazione (prima dell’iniezione, (), Lm: 1,39 ± 0,11 s; stimolo 1: 1,14 ± 0,11 s; stimolo 2: 1,10 ± 0,12 s; stimolo 3: 1,14 ± 0,11 s; dopo l’iniezione, (_{), Lm: 1,08 ± 0,12 s; stimolo 1: 0,62 ± 0,12 s;} stimolo 2: 0,62 ± 0,12 s; stimolo 3: 0,64 ± 0,12 s; F1,12 = 13,4, p =

0,003; test post-hoc di Fisher, p <0,01 per tutti e 3 gli stimoli post

brushing e p > 0,05 per Lm), suggerendo che in essa è contenuta una

proteina fondamentale per produrre un potenziamento della risposta analogo a quello che si ottiene con un training di sensitizzazione LT.

Figura 4-4 Risposte ottenute da animali iniettati con la frazione1 (A), 5 (B) e 8 (C), corrispondenti ai picchi tracciati ai tempi di ritenzione di 5,42- 7,89 e 9,18 minuti rispettivamente. Si noti come la frazione 8 induca un potenziamento della risposta post brushing (_{) significativamente maggiore rispetto a quello ottenuto} nella sessione di sensitizzazione condotta prima dell’iniezione ().* p <0,05 ANOVA a due vie per misure ripetute, per gruppi test post-hoc di Fisher.

Anche le altre frazioni saggiate non hanno indotto cambiamenti significativi nell’induzione della sensitizzazione (Figura 4-5; Tabella 2) così come le frazioni ottenute da pellet di animali di controllo (Tabella 3). In Figura 4-6 sono riportate le risposte degli animali iniettati con la frazione 8 ottenuta da pellet di sanguisughe di controllo. Come si può notare, gli animali non hanno mostrato differenze nelle risposte agli stimoli post brushing prima e dopo l’iniezione della frazione.

Figura 4-5 I grafici in A, B, C, D, E, F e G mostrano le risposte di animali naïves prima () e dopo () l’iniezione delle frazioni 2, 3, 4, 6, 7, 9 e 10 rispettivamente, ottenute da pellet di sanguisughe sensitizzate LT. Si noti, come nessuna delle frazioni modifichi le risposte post brushing.

Tabella 2 La tabella riporta le latenze medie (Lm) e le latenze misurate dopo

brushing (L1, L2, L3) espresse in secondi, prima e dopo l’iniezione delle frazioni

2, 3, 4, 6, 7, 9 e 10 ottenute da pellet di sanguisughe sensitizzate LT (PLT) e i valori di p ottenuti dall’analisi statistica.

Figura 4-6 Risposte di animali naïves prima (_{) e dopo (
) iniezione con la} frazione 8 ottenuta da pellet di animali di controllo.

Tabella 3 La tabella riporta, le latenze medie (Lm) e le latenze misurate dopo

brushing (L1, L2, L3) espresse in secondi, prima e dopo l’iniezione delle frazioni

ottenute da pellet di sanguisughe di controllo (PC) e i valori di p ottenuti dall’analisi statistica.

5 - DISCUSSIONE

In questo lavoro abbiamo utilizzato un approccio fisiologico e biochimico per studiare le proteine coinvolte nella formazione della memoria LT in H. medicinalis. I nostri dati hanno suggerito il coinvolgimento di una proteina di circa 10,9 kDa nel meccanismo di sensitizzazione LT nell’induzione al nuoto.

Gli studi più esaurienti sui processi alla base di forme elementari di apprendimento sono stati effettuati prendendo in esame semplici riflessi negli Invertebrati. Questi studi hanno permesso di analizzare parallelamente i cambiamenti comportamentali alla base dell’apprendimento e le modificazioni che si verificano a livello cellulare e molecolare (vedi ad esempio: Antonov et al., 2001; Brown, 1998; Burrell & Crisp, 2008; Edwards et al., 1999; Gover & Abrams, 2009). La sanguisuga H. medicinalis consente un approccio multidisciplinare allo studio dei meccanismi dell’apprendimento per le sue caratteristiche anatomo-funzionali che la rendono particolarmente adatta ad indagini etologiche, elettrofisiologiche e biologico-molecolari.

In questo lavoro è stato utilizzato un protocollo di addestramento in vivo che ha permesso di indurre la formazione di memoria LT nell’atto comportamentale dell’induzione al nuoto.

Una delle procedure più affidabili e ripetibili per indurre il nuoto nella sanguisuga è stimolare, meccanicamente o elettricamente, i meccanocettori responsivi a stimoli tattili (cellule T) e pressori (cellule P) che innescano l’attivazione di un complesso circuito neuronale che consente alla sanguisuga di nuotare flettendo il corpo sul piano dorso-ventrale con movimenti ondulatori (Catarsi et al., 1990; Zaccardi et al., 2001; Scuri et al., 2007). La rilevazione del tempo che intercorre tra l’applicazione di un lieve stimolo elettrico

(stimolo test) e l’inizio dell’onda natatoria permette di valutare la risposta basale dell’animale. Una stimolazione nocicettiva (brushing) produce un aumento del 30% della risposta allo stimolo test e questo potenziamento può durare fino a 30 minuti (vedi par 1.4) determinando quindi un processo di sensitizzazione BT (Zaccardi et al., 2001). Se lo stimolo nocicettivo viene presentato quotidianamente per almeno 4 giorni in modo ripetuto, produce un aumento del 60% della risposta allo stimolo test che perdura fino a 24 ore dopo il termine della stimolazione nocicettiva (vedi par. 1.4) inducendo quindi sensitizzazione LT. Analoghe procedure sperimentali hanno consentito di indurre sensitizzazione LT anche in altri modelli animali, quali la lumaca di terra (Balaban & Bravarenko, 1993; Gainutdinova et al., 2001) e Aplysia californica (Antzoulatos et al., 2006; Wainwright et al., 2002).

In prove compiute precedentemente, sanguisughe iniettate quotidianamente con cicloesimide 10 µM durante un training di addestramento LT, dopo brushing non hanno mostrato sensitizzazione (vedi par 1.4). Questo deficit può essere spiegato solo in termini di amnesia indotta dal farmaco in quanto l’iniezione di cicloesimide non produceva segni di disagio (come aumento/decremento dei livelli di attività neuronale o anormalità fisiologiche) negli animali trattati. Gale et al. (1981) hanno riportato che la cicloesimide inibisce la traslazione dell’mRNA (processi di iniziazione, traslocazione e fasi di elongazione). Pertanto queste evidenze hanno stabilito per la prima volta che in H. medicinalis la sintesi ex novo di proteine è un evento essenziale per la formazione di memoria LT in una forma di apprendimento non associativo. Quindi è possibile ipotizzare che le proteine sono coinvolte nei meccanismi di memoria LT in H.

Ciò è in accordo con ricerche precedenti condotte in varie specie animali in cui è stato mostrato che la formazione di memoria LT richiede la produzione di nuovi prodotti genici. Ad esempio, in

Hermissenda (Crowm et al., 1997; Epstein et al., 2003) e Lymnaea

(Sangha et al., 2003) è stato visto che l’uso di anisomicina, un inibitore della traslazione, o di actinomicina-D, un inibitore della trascrizione, blocca l’instaurarsi di memoria LT.

Una ricerca di Wittstock et al. (1993) in Apis mellifera eseguita prendendo come atto comportamentale il meccanismo di estensione della proboscide alla presentazione di due stimoli accoppiati, acqua zuccherata e stimolo olfattivo, ha evidenziato come la cicloesimide possa interferire con l’apprendimento. L’ape, che impara ad associare i due stimoli, continuerà ad estendere la proboscide al solo stimolo olfattivo. L’inibitore riduceva per il 95% l’incorporazione di 3H- leucina nelle proteine del cervello facendo sì che l’animale non rispondesse con la distensione della proboscide al solo stimolo olfattivo. Analogamente studi sul granchio Chasmagnathus (Pedreira et al., 1993) e sulla seppia officinalis (Agin et al., 2003) hanno dimostrato che trattamenti con cicloesimide danneggino l’instaurarsi di apprendimento non associativo LT rispettivamente nella risposta di fuga del granchio e nel comportamento predatorio della seppia, così come già Rosenblatt. et al. nel 1966 osservarono in esperimenti comportamentali nel ratto.

La semplice struttura anatomica della sanguisuga permette di dissezionare facilmente, dopo trattamento, l’intera corda nervosa gangliare, che è stata omogenizzata e poi separata in pellet e surnatante attraverso centrifugazione. Questo ha consentito di stabilire il ruolo di queste due frazioni (pellet e surnatante) nella risposta

fisiologica e giungere ad una caratterizzazione chimica del loro contenuto proteico.

Risultati precedentemente ottenuti mediante analisi SDS-PAGE avevano evidenziato che nel pellet e nel surnatante di sanguisughe sensitizzate LT c'erano proteine a basso peso molecolare (7 - 17,5 kDa) maggiormente espresse rispetto al pellet e surnatante ottenuto dall’omogenizzazione di corde gangliari di sanguisughe di controllo (vedi par 1.4). Nel presente studio, surnatante e pellet di animali sensitizzati LT e animali di controllo sono stati iniettati in animali

naïves dopo una sessione di sensitizzazione. Solo gli animali iniettati

con pellet LT hanno mostrato un effetto fisiologico. In questi animali una stimolazione nocicettiva, dopo l'iniezione, ha prodotto un miglioramento fino al 60% della risposta allo stimolo test, simile a quello ottenuto negli animali addestrati a lungo termine. In precedenza, risultati simili sono stati ottenuti da Rosenblatt et al. (1966) che ha iniettato estratti di cervello di ratti addestrati LT in ratti

naïves che successivamente imparavano più rapidamente una grande

varietà di compiti, inclusi tasks di condizionamento classico, condizionamento operante, tests di discriminazione con rinforzo positivo e negativo, che sono risultati tutti trasferibili dagli animali che avevano appreso agli animali naïves.

Inoltre, i risultati dell’analisi SDS PAGE suggeriscono che proteine di basso peso molecolare contenute nel pellet di animali LT sono coinvolte nell’apprendimento LT.

Questa ipotesi è stata confermata dagli esperimenti condotti in questo lavoro di tesi, in cui animali naïves sono stati iniettati con pellet o surnatante ottenuto da animali sensitizzati LT e trattati quotidianamente con cicloesimide o con soluzione fisiologica. Solo questi ultimi hanno mostrato un effetto fisiologico (Figura 4-2). In

questi animali una stimolazione nocicettiva, dopo l'iniezione, ha prodotto un miglioramento fino al 60% della risposta allo stimolo test, analogo a quello che si ottiene negli animali sensitizzati a lungo termine. Nessun aumento della risposta è stata osservata, invece, negli animali iniettati con pellet da animali LT quotidianamente trattati con cicloesimide. Questi risultati confermano ulteriormente che una o più proteine contenute nel pellet di sanguisughe addestrate LT sono coinvolte nell’apprendimento LT.

L’analisi SEC ha consentito di caratterizzare ulteriormente le componenti proteiche di pellet da animali sensitizzati LT. I risultati mostrano che solo una frazione proteica corrispondente a circa 10,9 kDa di peso molecolare se iniettata in animali naïves ha un effetto fisiologico, inducendo un potenziamento della risposta post brushing del tutto paragonabile a quella che si ottiene dopo addestramento a lungo termine. La stessa frazione ottenuta da animali di controllo non produce alcun effetto.

Nel loro insieme i risultati riportati in questa tesi allargano il panorama delle evidenze sperimentali fino ad ora raccolte che mostrano come alcune proteine siano responsabili dell’instaurarsi di apprendimento LT. Ad esempio, in Aplysia (Barzilai et al., 1992), l’actina, la clatrina, la tubulina, e quattro molecole di adesione cellulare (D1, D2, D3 e D4) riferite al complesso NCAM (neural cel

adhesion molecule) sono risultate coinvolte nella memoria LT, e, in Lymnea (Rosenegger et al., 2010), 19 proteine sono risultate

differenzialmente espresse durante processi di apprendimento LT. Le proteine fino ad ora messe in evidenza, sono prevalentemente implicate nei cambiamenti strutturali, quali la crescita di nuove connessioni sinaptiche, l’aumento del numero di nuovi terminali sinaptici e dell’area recettiva post sinaptica, che si verificano nelle fasi

iniziali dell’apprendimento LT (Noel et al., 1993). Infine, Mikenberg et al. (2007) hanno trovato una proteina con peso molecolare compreso tra 10 e 14 kDa, corrispondente alla catena leggera della dineina, una proteina motore coinvolta nel trasporto del fattore di trascrizione NF-kB al nucleo durante il consolidamento della memoria.

In conclusione, sia gli studi fisiologici basati su prove comportamentali, sia l’analisi cromatografica di omogenato di corde gangliari ottenute da animali addestrati a lungo termine e da animali di controllo, ci consente di suggerire il coinvolgimento di una proteina di circa 10,9 kDa nel meccanismo molecolare di sensitizzazione LT nella sanguisuga H. medicinalis. Attualmente è in corso un’analisi proteomica per caratterizzare nel dettaglio questa proteina.

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