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Caenorhabditis elegans un modello per lo studio del gusto amaro: identificazione dei neuroni e delle molecole coinvolte nel riconoscimento ed evitamento di stimoli chimici repellenti

Il riconoscimento di sostanze solubili in acqua é nota come gusto ed è cruciale per la sopravvivenza degli animali. Nel nematode Caenorhabditis elegans sostanze repellenti elicitano una reazione di evitamento che consiste in una brusca inversione del movimento. Abbiamo sviluppato un saggio quantitativo di questo comportamento in singoli animali e dimostrato che molti repellenti, che inducono nel nematode una reazione di evitamento, sono tossici per gli animali e sono riconusciuti come amari dall'uomo. Quindi l'evitamento di repellenti da parte di C. elegans è un buon modello per lo studio dei meccanismi cellulari e delle molecole coinvolte nel funzionamento del gusto amaro.
Utilizzando microchirurgia con laser e strategie genetiche abbiamo indentificato i neuroni sensoriali coinvolti in questa risposta. La coppia di neuroni ASH (dex e sin) svolgono il ruolo principale nel riconoscimento di chinino e di altri stimoli repellenti. Quattro altri neuroni sono coinvolti invece con un ruolo modulatore. I nostri risultati dimostrano che evitamento e chemiotassi positiva usano strategie differenti. L'evitamento è basato sull'integrazione spaziale di segnali provenienti dalla testa e dalla coda, è estrememente rapido ma è poco accurato nel localizzare la fonte dello stimolo. La chemiotassi positiva è invece basata sull'integrazione temporale degli stimoli (tutti dalla testa) e sebbene più lenta è molto più accurata nella localizzazione dello stimolo, Hilliard MA, Bargmann CI, Bazzicalupo P., Curr Biol., 12:730-4. (2002).
Le risposte comportamentali sono basate sull'azione combinata di più neuroni. Per comprendere il funzionamento di singoli neuroni abbiamo espresso Camaleon, un indicatore del Calcio geneticamente codificato, specificamente in ASH e studiato i flussi di Ca++, in questo neurone dopo stimolazione di vermi vivi con vari repellenti. Abbiamo trovato che, quando lo stimolo è applicato in modo persistente, ASH mantiene alti livelli di Ca++ suggerendo che esso risponde alla presenza del repellente piuttosto che al cambiamento della sua concentrazione. Abbiamo anche dimostrato che l'adattamento osservato nella risposta ad alcuni repellenti,è dovuto almeno in parte ad adattamento che si verifica al livello del neurone sensoriale ASH.
Utilizzando saggi comportamentali e Ca imaging abbiamo identificato alcune delle molecole che, in ASH, sono necessarie per sentire il chinino e/o altri stimoli repellenti. Due G alfa subunits espresse in ASH, GPA-3 ed ODR-3, sono necessarie per la risposta al chinino. Se ambedue mancano non c'è risposta. Abbiamo inoltre identificato e clonato un nuovo gene, qui-1, necessario per la risposta al chinino. qui-1 codifica per una nuova proteina contenente WD repeats espressa nei neuroni sensoriali ASH ed ADL. Ortologhi di QUI-1 sono presenti in vertebrati inclusi I mammiferi. La loro funzione è al momento non ancora nota ma la comprensione di QUI-1 in C. elegans promette di rivelare un nuovo attore, conservato dall'evoluzione, nella trasduzione del segnale dei recettori accoppiati alle proteine G, Hilliard MA, Bergamasco C, Arbucci S, Plasterk RH, Bazzicalupo P., EMBO J., 23:1101-1111(2004).