La temperatura è il più importante parametro abiotico ambientale, le cui variazioni influenzano tutti gli esseri viventi. In particolare, gli stress termici possono alterare l'espressione genica e la trasmissione sinaptica nel Sistema Nervoso Centrale di vertebrati e invertebrati. L'alterazione dei parametri neurochimici dipendente dalla variazione termica può di conseguenza determinare alterazioni nel comportamento dell'animale. Particolarmente coinvolta nella risposta alle condizioni di stress è la neurotrofina BDNF (fattore neurotrofico derivato dal cervello), espressa principalmente nell'encefalo. Dati preliminari ottenuti nel nostro laboratorio evidenziano che le condizioni termiche influenzano l'espressione genica del BDNF nel pesce zebra (Danio rerio). In particolare lo stress termico indotto dall'esposizione ad alte temperature riduce l'espressione genica del BDNF e del suo recettore TrkB. La stessa variazione termica provoca alterazioni comportamentali legate a deficit cognitivi degli animali. Utilizzando come modello il pesce zebra, specie già impiegata con successo nella ricerca neurocomportamentale e ecotossicologica, il progetto si propone di analizzare le variazioni a carico del proteoma dell'encefalo e del comportamento di individui adulti wild type, eterozigoti e knock out (inapettatamente vitali) per il gene BDNF acclimatati alla temperatura di 34°C per 21 giorni rispetto ai controlli mantenuti a 26°C. Dallo studio proposto potranno derivare informazioni utili per la comprensione dei circuiti cerebrali coinvolti nei processi di adattamento termico e del ruolo del BDNF nella regolazione comportamentale della temperatura, nella prospettiva più generale degli effetti del global warming sul comportamento e la sopravvivenza di specie ittiche.
Il progetto vuole essere fortemente innovativo poiché applica ai teleostei l'approccio multidisciplinare classicamente applicato a topi e ratti [64]. Background del progetto sono le competenze sviluppate, le informazioni ottenute e il network di collaborazioni consolidato nei progetti FIRB 2012, Ateneo 2016-18 in cui il gruppo di ricerca si è dedicato allo studio dello stress ambientale in PZ impiegando test comportamentali, analisi di espressione genica e analisi proteomiche dell'encefalo. La collaborazione tra i gruppi di ricerca coinvolti ha consentito la produzione di individui PZ eterozigoti BDNF+/-. I risultati dimostrano le potenzialità di tale approccio multidisciplinare [59]. La T sperimentale prescelta in questo progetto (34°C) è compresa nel range termico a cui il PZ può essere esposto anche in natura, i cui effetti sono stati testati in studi precedenti [65], e corrisponde a un incremento di 8°C rispetto alla T di 26°C, utilizzata come condizione di controllo. L'ambiente naturale del PZ è infatti rappresentato da corsi d'acqua poco profondi caratterizzati da fluttuazioni termiche giornaliere e stagionali molto ampie, da 6°C (inverno) a più di 38°C (estate) [66]. Il PZ ha un'ampia tolleranza termica nell'intervallo 6,7- 41,7°C [67, 68] pur preferendo temperature comprese tra 24 e 30°C, più adatte al suo sviluppo e riproduzione. I dati finora ottenuti suggeriscono che l'adattamento per un periodo medio-lungo di 21 giorni agli estremi termici di 18°C e 34°C induce una consistente variazione nell'espressione proteica nell'encefalo rispetto ai controlli. L'analisi delle proteine differenzialmente espresse suggerisce che l'adattamento termico induce variazioni funzionali e strutturali delle cellule cerebrali che possono impattare sulle capacità cognitive. I test comportamentali confermano l'alterazione del comportamento esplorativo dell'animale riconducibile a variazioni dello stato di ansia e dell'audacia dell'animale e al suo alterato interesse per il nuovo ambiente.
Risultati attesi e avanzamento delle conoscenze previsto
Si attende un effetto G, un effetto T e un effetto T/G:
-Effetto G: si attende un'alterazione del proteoma cerebrale e una variazione nel comportamento esplorativo derivante dalla ridotta (ET) o mancata (KO) espressione di BDNF rispetto ai WT sia a 26°C che a 34°C.
Tale studio fornirà dati utili alla comprensione del ruolo del BDNF nella fisiologia cerebrale identificando le proteine la cui espressione risulti modulata a seguito di una ridotta o mancata espressione di questa neurotrofina e permetterà di valutare le alterazioni comportamentali indotte dal genotipo fornendo indicazioni sul coinvolgimento della neurotrofina nel modulare le risposte comportamentali.
-Effetto T: si attende un'alterazione del proteoma cerebrale e una variazione nel comportamento esplorativo derivante dal trattamento termico nei soggetti sperimentali a 34°C rispetto ai 26°C.
-Effetto G/T: dal confronto incrociato dei profili di espressione proteica e del comportamento in tutti i soggetti testati si attendono differenze nei profili di espressione delle proteine cerebrali e variazioni comportamentali determinate da un'interazione tra il trattamento termico e il genotipo
Lo studio degli effetti T e G/T fornirà nuove informazioni utili alla comprensione del ruolo di BDNF nei meccanismi di adattamento allo stress termico a livello cellulare nel SNC e nella termoregolazione comportamentale .
Complessivamente lo studio permetterà quindi un avanzamento delle conoscenze circa le relazioni esistenti tra stress termico ambientale e BDNF, contribuendo a comprendere come la T moduli l'espressione di questo fattore neurotrofico e, al contempo, come esso influenzi la capacità dell'animale di adattarsi allo stress cronico dovuto all'incremento di T.
I risultati che si otterranno potranno fornire informazioni utili a vari ambiti disciplinari contribuendo alla comprensione:
a) dei meccanismi coinvolti nel processo di adattamento allo stress termico cronico [biologia cellulare];
b) del ruolo del BDNF nell'encefalo e del suo coinvolgimento in meccanismi protettivi in condizioni di stress [neurobiologia];
c) del ruolo del BDNF nella risposta comportamentale ad alterate condizioni ambientali quali l'incremento termico [neurobiologia del comportamento];
d) dei meccanismi cellulari alla base di patologie neurologiche e neurodegenerative, essendo il PZ ampiamente utilizzato nella ricerca biomedica per le sue potenzialità traslazionali sull'uomo e considerato il ruolo del BDNF in tali patologie [neurobiologia del comportamento];
e) degli effetti dell'innalzamento della temperatura ambientale derivante dal complesso fenomeno del "global warming " sul comportamento e la sopravvivenza di specie ittiche [eco-tossicologia].