Le connessioni anatomiche e strutturali tra i sistemi vascolare e nervoso sono note da oltre un secolo. Gli studi più recenti hanno tuttavia dimostrato che i due sistemi condividono anche diversi segnali molecolari. Tra questi, sono state trovate molte molecole con proprietà attrattive e repulsive che guidano sia i nervi che i vasi sanguigni verso i loro bersagli anatomici. Recentemente, il laboratorio dove è stata svolta questa tesi ha dimostrato che i parallelismi molecolari nervoso-vascolari in realtà vanno oltre l'orientamento delle cellule e comprendono due modulatori con specifica funzione sinaptica: le proteine transmembrana Neurexina (NRXN) e Neuroligina (NLGN). Queste proteine sono state inizialmente identificate nel sistema nervoso centrale e localizzate sulla membrana pre- (NRXN) e postsinaptica (NLGN), dove, interagendo fisicamente, modulano l'attività sinaptica eccitatoria ed inibitoria. L'espressione delle due proteine si estende anche a tutto il sistema vascolare, nelle cellule endoteliali e muscolari lisce, dove svolgono ruoli legati all'angiogenesi (formazione di vasi sanguigni da vasi preesistenti) o al tono vascolare. In particolare è stato provato che l'isoforma 1 di Neuroligina (NLGN1) modula lo sviluppo vascolare e la morfogenesi dei vasi nel modello dello zebrafish.
In questa tesi, abbiamo approfondito lo studio del meccanismo d'azione di NLGN1 nel sistema vascolare sia in vitro, con saggi sulle cellule endoteliali (EC) che in vivo, con l'analisi dello sviluppo della vascolatura nella retina di topo. Con gli esperimenti in vitro abbiamo dimostrato che NLGN1 ha le seguenti attività: a) promuove l'adesione delle EC selettivamente alla laminina, proteina tipica della matrice extracellulare che circonda i vasi maturi (chiamata anche lamina basale), b) induce la morfogenesi in vitro, ovvero l'organizzazione in strutture vaso-simili, delle EC quando coltivate su laminina, c) coopera con la sub-unità integrinica α6, che forma un recettore della laminina, nelle attività di induzione dell'adesione e morfogenesi, d) modula la quantità di integrina α6 sulla superfice cellulare influenzando la dinamica della sua endocitosi e successivo riciclo in membrana. I dati ottenuti con gli esperimenti in vivo, mostrano che l'eliminazione di NLGN1 nel topo causa importanti difetti sia nella morfologia dei singoli vasi che nello sviluppo globale dell'albero vascolare della retina. In particolare si rileva una riduzione dell'area totale vascolarizzata e un'alterazione strutturale dei vasi.
La nostra conclusione è che NLGN1 sia una proteina importante per la maturazione dei vasi sanguigni, poiché modula l'interazione delle EC con la laminina, un segnale di stabilizzazione/maturazione vascolare. La mancata stabilizzazione non solo influenza l'anatomia dei singoli vasi ma inibisce anche la crescita vascolare globale.
I dati appena descritti rappresentano la prima evidenza di una proteina neuronale/vascolare che interagisce funzionalmente con una integrina per modulare l'adesione della cellula alla matrice extracellulare e influenzare la morfogenesi vascolare. Inoltre, i nostri dati possono essere di interesse nel campo della neurobiologia, in particolare nello studio del ruolo della matrice extracellulare nella plasticità neuronale. Infine, crediamo che i parallelismi nervoso-vascolari siano di grande interesse scientifico, poiché sottolineano il modo in cui la natura organizza e risparmia le sue risorse.
The structural and anatomical connections between the vascular and nervous system have been known for over a century. However the most recent studies have shown that the two systems also share several molecular signals. Among them, there are many attractive and repulsive molecules with ¿guidance¿ roles for both nerves and the blood vessels. Recently, the laboratory where this thesis was prepared has shown that the nervous-vascular molecular parallels actually go beyond the orientation of cells and include two modulators with specific synaptic functions: the transmembrane proteins neurexin (NRXN) and Neuroligina (NLGN). These proteins were originally identified in the central nervous system and localized on the pre- (NRXN) and post synaptic (NLGN) membranes, where, by interacting physically, modulate the activity of inhibitory and excitatory synaptic. The expression of the two proteins also extends to the entire vascular system, in endothelial and smooth muscle cells, where they play roles related to angiogenesis (formation of blood vessels from pre-existing ones) or vascular tone. In particular, it has been proven that the isoform 1 of Neuroligin (NLGN1) modulates vascular development and morphogenesis in the zebrafish model.
In this thesis, we deepened the study of the NLGN1 mechanism of action in the vascular system both in vitro, with essays on endothelial cells (ECs) and in vivo, with the analysis of the vascular development in the mouse retina. With the in vitro experiments we have shown that NLGN1 has the following activities: a) promotes the adhesion of ECs selectively to laminin, typical protein of the extracellular matrix that surrounds the mature vessels (also called basal lamina), b) induces morphogenesis in vitro, or the organization in vessel-like structures , of the EC when cultured on laminin, c) cooperates with the α6 integrin subunit, which forms a laminin receptor, in the induction of adhesion and morphogenesis, d) modulates the amount of α6 integrin on cell surface influencing the dynamics of its membrane endocytosis/recycling. The data obtained with the experiments in vivo show that the elimination of NLGN1 in mice causes major defects both in the morphology of the individual vessels and in the global development of the retina vascular tree. In particular there is a reduction of the total vascularized area and a structural alteration of the vessels.
Our conclusion is that NLGN1 is an important protein for blood vessels maturation, because it modulates the interaction of EC with laminin, a signal of vascular stabilization/maturation. The failure to stabilize vessels not only affects their anatomy but also inhibits the global vascular growth.
The data just described represent the first evidence of a neuronal/vascular protein that interacts functionally with an integrin to modulate cell adhesion to extracellular matrix and affect vascular morphogenesis. In addition, our data may be of interest in the field of neurobiology, in particular in the study of the role of extracellular matrix in neuronal plasticity. Finally, we believe that the nervous/vascular parallels are of great scientific interest, since they emphasize the way in which nature organizes and saves its resources.