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Laboratorio di Neuropsicofarmacologia e Neurogenomica Funzionale  

Lab Prof Popoli

 

Linee di ricerca

Studio dell’azione dello stress comportamentale a livello sinaptico. Regolazione di funzionalità sinaptica, neuroplasticità ed espressione genica in relazione a stress acuto/cronico, patogenesi di disturbi neuropsichiatrici/neurodegenerativi, meccanismi d’azione di farmaci psicotropi. Studi genome-wide in modelli animali di patologia e di risposta/resistenza ai farmaci (trascrittomica, proteomica, epigenetica, miRNomica). Particolare attenzione viene data all’identificazione di nuovi bersagli per la diagnosi o il trattamento che possano migliorare l'efficacia e alleviare gli effetti avversi.

Studio degli effetti dello stress comportamentale e dei farmaci psicotropi sulla trasmissione glutammatergica e sull’architettura neuronale

Lo stress è il principale fattore ambientale di rischio per le patologie neuropsichiatriche. La disfunzione del sistema glutammatergico è considerata una caratteristica fondamentale delle patologie legate allo stress, tra cui disturbi dell'umore e d’ansia. Infatti, diversi studi hanno dimostrato che la trasmissione glutammatergica e l’architettura neuronale sono alterate sia nel cervello dei pazienti depressi, sia in modelli animali di patologia. Abbiamo dimostrato precedentemente che lo stress acuto aumenta il rilascio di glutammato in corteccia prefrontale e frontale, mediante un’azione rapida (non-genomica) dei glucocorticoidi, che incrementano il pool di pronto rilascio delle vescicole glutammatergiche. Inoltre il trattamento cronico con antidepressivi blocca l’aumento di rilascio di glutammato indotto da stress acuto, un effetto che è probabilmente correlato all’azione antidepressiva/ansiolitica dei farmaci. Obiettivi principali di questa ricerca sono: (1) Una dissezione cellulare/molecolare degli effetti rapidi (non-genomici) dello stress e dei glucocorticoidi sulle sinapsi glutammatergiche, utilizzando approcci funzionali, molecolari, morfologici e di imaging; (2) Uno studio degli effetti dello stress prolungato sulle sinapsi glutammatergiche e sull’architettura neuronale. Inoltre sono oggetto di studio i meccanismi molecolari con cui gli antidepressivi tradizionali e nuovi farmaci ad azione rapida (come la ketamina) modulano la trasmissione glutamatergica e il comportamento. Questa linea di ricerca è svolta in collaborazione con altri gruppi italiani (Università di Genova, Trieste, Brescia, HSR), europei (Aarhus, Danimarca) e USA (Cornell, Yale, Rockfeller University).

Studio delle modificazioni epigenetiche modulate dallo stress, dall’esercizio fisico e dai farmaci psicotropi

La regolare attività fisica promuove miglioramenti delle funzioni cognitive e dell’umore e una migliore capacità di affrontare situazioni stressanti sia nell’uomo che nei roditori. I benefici promossi dall’esercizio fisico hanno portato a suggerire tale pratica come un co-trattamento non farmacologico per malattie neurologiche e neuropsichiatriche. Gli effetti positivi dell’esercizio fisico sono stati correlati a modificazioni nella plasticità dell’ippocampo e ad aumentati livelli dell’espressione del fattore neurotrofico Brain-Derived Neurotrophic factor (BDNF). Al contrario, lo stress induce una riduzione dei livelli dei fattori neurotrofici e un’atrofia dell’ippocampo, suggerendo perciò un possibile meccanismo attraverso cui l’esercizio previene gli effetti deleteri dello stress. Tuttavia, i meccanismi molecolari coinvolti in questi effetti sono scarsamente caratterizzati. Recentemente abbiamo dimostrato che esercizio fisico e antidepressivi promuovono nei roditori la traslocazione dendritica di specifici mRNA di BDNF, mentre lo stress ne blocca la traslocazione.

Principale obiettivo di questa ricerca è analizzare il ruolo delle modificazioni epigenetiche nella modulazione trascrizionale dei fattori neurotrofici nel cervello in risposta all’attività fisica e allo stress, sia in topi normali che in topi modificati geneticamente.

Analisi epigenetica globale di un modello animale per patologie neuropsichiatriche con interazione gene-ambiente

È noto che lo stress, in particolare lo stress psico-sociale, è coinvolto nella fisiopatologia delle malattie psichiatriche come depressione, ansia, disturbo post-traumatico da stress e schizofrenia. La principale fonte di stress per gli esseri umani è di natura sociale, ma i più comuni modelli animali di stress, come l’immobilità forzata ed il footshock, non rispecchiano quanto avviene nella vita reale. In questo contesto, riprodurre l’instaurarsi di una gerarchia sociale (relazione dominante/subordinato) rappresenta un’alta “face validity” relativa alla situazione della società umana. Questo progetto ha lo scopo di effettuare un’analisi globale dei cambiamenti epigenetici in topi transgenici con polimorfismo umano Val66Met del gene BDNF (BDNFMet), sottoposti a social defeat stress. I topi BDNFMet ricapitolano molti aspetti del fenotipo dei portatori umani dell’allele Met di BDNF. Il nostro gruppo studia i cambiamenti epigenetici per mezzo dell’immunoprecipitazione della cromatina (ChIP) con specifici anticorpi diretti contro istoni, metilati o acetilati in diversi residui, e caratterizzando i promotori genici che sono attivati o repressi. Questo è effettuato o a livello di geni candidati analizzando con qPCR le sequenze dei promotori legate a istoni metilati o acetilati, o a livello globale del genoma per mezzo del sequenziamento di nuova generazione (ChIP-Seq). Il risultato principale del progetto sarà l’identificazione di geni la cui funzione è alterata dalla presenza del polimorfismo umano di BDNF, e dallo stress psico-sociale in un contesto noto di vulnerabilità genetica. Nostri studi preliminari hanno dimostrato una ridotta espressione di specifici mRNA di BDNF, dovuta a modificazioni epigenetiche sui promotori, e ridotta traslocazione dendritica di uno di questi mRNA nei topi BDNFMet. Con questa linea il gruppo partecipa al consorzio in-BDNF (http://www.in-BDNF.it).

Ruolo di BDNF nel consumo del cibo e nell’obesità

L’obesità, insieme con le complicanze mediche ad essa associate, è uno dei maggiori problemi sanitari del mondo occidentale, e al momento senza nessuna specifica indicazione farmacologica. Il peso corporeo è regolato finemente dal bilancio tra la quantità di calorie assunte attraverso il cibo e il dispendio energetico. L’assunzione di cibo è un comportamento complesso in cui intervengono non solo meccanismi omeostatici che bilanciano le richieste nutrizionali con le necessità energetiche, ma anche da fattori edonici che regolano il piacere e la ricompensa derivanti dal consumo del cibo. Diverse evidenze sperimentali suggeriscono un ruolo di BDNF nell’assunzione del cibo, nella gratificazione correlata al cibo e nel metabolismo. Tuttavia i meccanismi molecolari e cellulari attraverso cui BDNF modula il consumo di cibo sono sconosciuti. Il polimorfismo umano Val66Met di BDNF è stato connesso, oltre che con la fisiopatologia delle funzioni cognitive e affettive, con patologie dell’assunzione del cibo e del metabolismo. Per chiarire il ruolo di BDNF nelle modificazioni cerebrali che inducono iperfagia, disfunzioni metaboliche e obesità, studiamo gli effetti di fattori ambientali che modificano l’assunzione di cibo (diete, stress) e il metabolismo (esercizio fisico) in topi BDNFMet.

Ruolo dei microRNA nella fisiopatologia dei disturbi neuropsichiatrici e nell’azione di farmaci psicotropi

I microRNA (miRNA) sono piccoli (~22 nts) RNA non codificanti che hanno un ruolo chiave nella regolazione del genoma. Diversi studi hanno dimostrato che i miRNAs partecipano alla modulazione di numerosi processi sia fisiologici che patologici a livello dell’intero organismo. Negli ultimi anni evidenze crescenti hanno mostrato un ruolo importante dei miRNA nello sviluppo e nell’omeostasi del sistema nervoso centrale. È stato riportato che i miRNA costituiscono un elemento chiave nello sviluppo e nella funzionalità delle sinapsi e nel controllo locale dell’espressione proteica, con importanti implicazioni in processi di neurogenesi, differenziamento e sopravvivenza neuronale. Inoltre alcune evidenze hanno dimostrato che i miRNA sono alterati in malattie neuropsichiatriche. Obiettivo principale della nostra ricerca è indagare il ruolo dei miRNA nell'azione di farmaci antidepressivi e nella fisiopatologia di malattie neuropsichiatriche, mediante l’impiego di modelli animali e approcci molecolari e farmacologici. Questa linea di ricerca è svolta in collaborazione con altri gruppi italiani (Università di Trieste, IRCCS San Giovanni di Dio-Fatebenefratelli di Brescia, Consiglio Nazionale delle Ricerche).

 

Tecniche

Biologia Molecolare: qPCR, Immunoprecipitazione della Cromatina (ChIP), ChIP-qPCR, ChIP-Seq, TLDA cards per miRNA. Preparazione di costrutti per trasfezioni o per saggi gene reporter.

Biologia cellulare: Preparazione di frazioni subcellulari, purificazione di terminali sinaptici mediante gradienti di Percoll. Misura del rilascio basale/evocato di neurotrasmettitori endogeni o marcati da terminali sinaptici purificati in superfusione.

Proteomica: Western Blotting per proteine totali e fosforilate, elettroforesi 2D, analisi mappe 2D. Analisi di interazioni proteina-proteina con co-immunoprecipitazione.

Colture cellulari: Colture primarie di neuroni e linee cellulari, colture organotipiche di ippocampo, trasfezioni transienti e stabili, silencing con RNAi.

Metodi ottici: Immunoisto/citochimica, immunofluorescenza, colorazione di Golgi, analisi Sholl, microscopia confocale, microscopia TIRF.

Analisi Bioinformatica (Ontologia Genica, analisi di pathways e networks, analisi dei target miRNA)

Animali e comportamento: Trattamenti farmacologici acuti e cronici, cannule per ICV, mantenimento di colonie di topi transgenici, modelli animali GxE di ansia e depressione, stress cronico lieve, footshock stress, stress ‘Social Defeat’, attività fisica volontaria, test comportamentali per ansia e depressione.

 

Selezione pubblicazioni (max 10 pubblicazioni)

  1. Nava N, Treccani G, Alabsi A, Kaastrup Mueller H, Elfving B, PopoliM, Wegener G, Nyengaard JR. (2015) Temporal Dynamics of Acute Stress-Induced Dendritic Remodeling in Medial Prefrontal Cortex and the Protective Effect of Desipramine. Cereb Cortex(Epub ahead of print).
  2. Mallei A, Baj G, Ieraci A, Corna S, Musazzi L, Lee FS, Tongiorgi E, Popoli M. (2015) Expression and dendritic trafficking of BDNF-6 splice variant are impaired in knock-in mice carrying human BDNF Val66Met polymorphism. Int J Neuropsychopharmacol (Epub ahead of print).
  3. Ieraci A, Mallei A, Musazzi L, Popoli M. (2015) Physical exercise and acute restraint stress differentially modulate hippocampal Brain-Derived Neurotrophic Factor transcripts and epigenetic mechanisms in mice. Hippocampus25:1380-92.
  4. Nava N, Treccani G, Liebenberg N, Chen F, Popoli M, Wegener G, Nyengaard JR. (2015) Chronic desipramine prevents acute stress-induced reorganization of medial prefrontal cortex architecture by blocking glutamate vesicle accumulation and excitatory synapse increase.Int J Neuropsychopharmacol 18:3.
  5. Popoli M, Sanacora G, Diamond D, Editors (2014) “Stress at the synapse. Synaptic stress and pathogenesis of neuropsychiatric disorders”, Springer, New York, NY.
  6. Treccani G, Musazzi L, Perego C, Milanese M, Nava N, Bonifacino T, Lamanna J, Malgaroli A, Drago F, Racagni G, Nyengaard JR, Wegener G, Bonanno G, Popoli M. (2014) Stress and corticosterone rapidly increase the readily releasable pool of glutamate vesicles in synaptic terminals of prefrontal and frontal cortex. Mol Psychiatry 19:433–443.
  7. Musazzi L, Treccani G, Popoli M. (2013) The action of antidepressants on the glutamate system: regulation of glutamate release and glutamate receptors. Biol Psychiatry 73:1180-1188.
  8. Tardito D, Mallei A, Popoli M. (2013) Lost in translation. New unexplored avenues for neuropsychopharmacology: epigenetics and microRNAs. Exp Opin Invest Drugs 22:217-33.
  9. Baj G, D’Alessandro V, Musazzi L, Mallei A, Tardito D, Sartori CR, Sciancalepore M, Langone F, Popoli M, Tongiorgi E. (2012) Physical exercise and antidepressants enhance BDNF targeting in hippocampal CA3 dendrites: further evidence of a spatial code for BDNF splice variants. Neuropsychopharmacol 37:1600-11.
  10. Popoli M, Yan Z, McEwen BS, Sanacora G. (2012) The stressed synapse: the impact of behavioral stress and glucocorticoids on glutamate transmission. Nature Rev Neurosci 13:22-37.

 

Links:

https://bbrfoundation.org/brain-matters-discoveries/narsad-grantees-further-understanding-of-how-stress-can-lead-to-depression

http://www.springer.com/biomed/neuroscience/book/978-1-4939-1055-7

http://users2.unimi.it/fens_stress/index.html

http://eng.disfeb.unimi.it/ecm/home/research/research-labs/laboratory-of-neuropsychopharmacology-and-functional-neurogenomics

http://www.in-BDNF.it

https://sites.google.com/site/sciencevenatnight/past-events/synaptic-stress

http://www.nature.com/nrn/journal/v13/n1/full/nrn3138.html

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