La ricerca sulle cellule staminali apre nuove prospettive per approcci di terapia cellulare. Molta attenzione è concentrata sulle cellule staminali isolate da membrane fetali, per la facilità di recupero del materiale di partenza, le limitate implicazioni etiche e le caratteristiche delle popolazioni di cellule staminali residenti. In particolare a livello dell’epitelio amniotico si concentra una popolazione di cellule (hAECs) con interessanti caratteristiche di staminalità, pluripotenza e immunomodulazione. Restano però una serie di limiti prima di arrivare ad un’applicazione clinica: l’uso di siero di origine animale nei terreni di coltura e le limitate conoscenze legate alla reazione immunitaria in vivo. La prima parte di questo lavoro è focalizzata sulle caratteristiche delle hAECs coltivate in un terreno privo di siero, in confronto a un terreno di coltura classico. Lo studio è concentrato sull’analisi delle caratteristiche biologiche, immunomodulatorie e differenziative delle hAECs. L’interesse verso le caratteristiche immunomodulatorie è legato alla possibilità che l’uso di un terreno serum free riduca il rischio di rigetto dopo trapianto in vivo. La maggior parte degli studi in vivo con cellule isolate da membrane fetali sono stati realizzati con cellule di derivazione umana in trapianti xenogenici, ma poco si sa circa la sopravvivenza di queste cellule in trapianti allogenici, come nel caso di trapianti di cellule di derivazione murina in modelli di topo. La seconda parte dello studio è focalizzata sulla caratterizzazione delle cellule derivate da membrane fetali di topo (mFMSC). Le caratteristiche biologiche, differenziative e immunomodulatorie in vitro e in vivo delle mFMSC sono state confrontate con i fibroblasti embrionali di topo. In particolare è stata analizzata la risposta immunitaria a trapianti di mFMSC nel sistema nervoso centrale (CNS) in modelli murini immunocompetenti. / The stem cell research opens new perspectives for cell therapy approaches. Much attention has been focused on stem cells isolated from fetal membranes, for the easy recovery of these tissues, the limited ethical implications and the characteristics of resident stem cells. In particular from the amniotic epithelium it is possible to isolate a population of cells (hAECs) with interesting characteristics of stemness, pluripotency and immunomodulation. However, before going to clinic there are some limitations to overcome: the use of culture media supplemented with animal serum and the limited knowledge related to immune reactions in vivo. The first part of this work is focused on the characterization of hAECs cultured in a serum-free medium, in comparison to a classical culture medium. The study is concerned with the biological, immunomodulatory and differentiation properties of hAECs. The interest towards immunomodulatory characteristics is related to the possibility that using a serum free medium could reduce the risk of grafts rejection after transplantation in vivo. The majority of in vivo studies with cells isolated from fetal membranes were carried out with human-derived cells in xenogeneic transplantation, but little is known about the survival of these cells in allogeneic settings, as for transplantation of murine cells in mouse models. The second part of this study is focused on the characterization of cells derived from murine fetal membranes (mFMSC). Biological characteristics, differentiation potential, in vitro and in vivo immunomodulatory properties of mFMSC has been compared with mouse embryonic fibroblasts. In particular we analyzed the immune response towards mFMSC grafted in the central nervous system (CNS) of immunocompetent mice.

Il carcinoma del colon-retto (CCR) comprende tutte le neoplasie con sede tra il cieco ed il retto. E’ il tumore più frequente nella popolazione italiana. Tra le cause che ne influenzano il rischio sono noti sia fattori esogeni che endogeni. La componente genetica riveste un ruolo chiave, infatti le cellule tumorali presentano mutazioni ereditate o acquisite a carico di numerosi geni coinvolti nelle principali vie di segnalazione, replicazione e riparazione. I nostri studi si sono rivolti all’identificazione di modificazioni nell’ambito degli acidi nucleici, mediante analisi di un semplice campione di sangue periferico. Abbiamo voluto indagare sia sul rischio genetico di contrarre la malattia e dunque sulla predittività, che sul riscontro della patologia e dunque sulla diagnosi e sulla prognosi. Studi molecolari hanno difatti evidenziato che alcuni polimorfismi a carico di determinati geni possono contribuire allo sviluppo di patologie tumorali. Il mio lavoro ha mirato, da una parte, a verificare se alcune varianti alleliche dei geni CDH1, MDR1 (ABCB1), ROCK1 e ROCK2 potessero essere considerate fattori di suscettibilità alla patologia, per un possibile impiego in qualità di marcatori predittivi e, dall'altra, ad identificare mRNA marcatori specifici, selezionati tramite un programma bioinformatico utilizzando, per la validazione, campioni di sangue provenienti da pazienti affetti da cancro del colon-retto e controlli sani. L’indagine condotta sui polimorfismi scelti per i geni indagati, ha evidenziato, per alcuni, un’associazione significativa, che mi ha permesso di raccogliere dati interessanti sull’eziologia del CCR. Lo studio di mRNA candidati marcatori, mi ha permesso di identificare TSPAN8, LGALS4 e COL1A2 quali promettenti strumenti di diagnosi e prognosi per il carcinoma del colon-retto. Ulteriori studi saranno necessari per testare i candidati biomarcatori in test di predittività, screening e di follow-up. / The colorectal cancer (CCR) includes all cancers located between the caecum and the rectum. It is the most common cancer in the Italian population. Among the causes that influence the risk they are known both exogenous and endogenous factors. The genetic component plays a key role, in fact, cancer cells have inherited or acquired mutations of many genes involved in major signaling, replication and repair pathways. Our studies were directed to the identification of modifications in the context of nucleic acids, by analyzing a simple peripheral blood sample. We investigated both the genetic risk of contracting the disease and thus the prediction, and on the detection of the disease and thus on diagnosis and prognosis. Molecular studies have indeed shown that some polymorphisms of certain genes may contribute to the development of cancer. My work has focused, on the one hand, to see if some allelic variants of CDH1, MDR1 (ABCB1), ROCK1 and ROCK2 genes could be regarded as factors of susceptibility to disease, for possible use as predictive markers and, on the other hand, to identify specific mRNA markers, selected through a bioinformatics program using, for the validation, blood samples from patients with colorectal cancer and healthy controls. The investigation conducted on polymorphisms chosen for the investigated genes, showed, for some of them, a significant association, which allowed me to gather interesting data on the etiology of the CRC. The study of candidated mRNA markers, allowed me to identify TSPAN8, LGALS4 and COL1A2 such promising diagnostic and prognosis tools for colorectal cancer. Further studies will be needed to test the candidated biomarkers for predictive testing, screening and follow-up.

La labioschisi con o senza palatoschisi non-sindromica (NSCL/P) è tra le più frequenti alterazioni dello sviluppo embrionale, causata dall’interazione di fattori genetici e ambientali, moti dei quali ancora ignoti. L'obiettivo del mio progetto di Dottorato consiste nell’identificazione di fattori di rischio genetico in un processo a due stadi che prevede la selezione di geni candidati e la verifica del loro coinvolgimento nella determinazione della malformazione mediante studi di associazione. Ho analizzato alcuni polimorfismi a singolo nucleotide (SNPs) dei geni RFC1 e DHFR, appartenenti alla via metabolica dell’acido folico, evidenziando una debole associazione tra alcuni degli SNPs indagati e la NSCL/P nella popolazione italiana. Presso il laboratorio della Dott.ssa Mangold dell’Università di Bonn, ho valutato il ruolo di 15 diverse regioni cromosomiche nel determinare la suscettibilità alla malattia, evidenziando una significativa associazione per i marcatori localizzati in 8q24 e 1p22. Ho quindi rivolto la mia attenzione al ruolo del complesso Polycomb nell’insorgenza della schisi. Nell’uomo i due complessi Polycomb, PRC1 e PRC2, rimodellano la cromatina agendo da regolatori dei meccanismi trascrizionali alla base della differenziazione cellulare e dello sviluppo embrionale. Ho ipotizzato che mutazioni a carico di geni appartenenti a PRC2 possano essere considerati potenziali fattori di rischio genetico nel determinare la NSCL/P. Il razionale consiste nel fatto che JARID2, una proteina che interagisce con PRC2, è associata all’insorgenza della NSCL/P ed espressa a livello delle cellule epiteliali delle lamine palatine che si approssimano alla fusione. L’indagine condotta analizzando i geni di elementi o partner dei due complessi Polycomb, ha evidenziato un’associazione significativa con alcuni polimorfismi dei geni indagati, associazione ulteriormente confermata dall’analisi degli aplotipi. Le analisi condotte sui geni candidati mi hanno permesso di raccogliere dati interessanti sull’eziologia della malformazione. Studi indipendenti saranno necessari per poter validare l'associazione tra le varianti genetiche di questi geni candidati e la NSCL/P. / Non-syndromic cleft lip with or without cleft palate (NSCL/P) is the most frequent alterations of embryonic development; it is caused by an interaction of genetic and environmental factors. The aim of this study is identifying of genetic risk factors, selecting candidate genes and testing their involvement in the determination of the malformation through association studies. I analyzed some single nucleotide polymorphisms (SNPs) of RFC1 and DHFR genes, belonging to the folic acid metabolic cascade. I highlighted a low association for some of the SNPs investigated and NSCL/P in the Italian population. In the laboratory of Dr. Mangold of the University of Bonn, I evaluated the role of 15 different chromosomal regions in determining susceptibility to disease. I showed a significant association for the variants at 8q24 and 1p22. Attention has been given to the role of the Polycomb complex in determining NSCL/P susceptibility. In mammals, there are two main Polycomb complexes: PRC1 and 2 PRC2. Both are chromatin-remodeling multiprotein complexes. These complexes control the transcriptional mechanisms implicated in cell differentiation and in embryonic development. I hypothesized that mutations in genes belonging to PRC2 complex can be considered as potential genetic risk factors for NSCL/P. The rationale is that JARID2, protein interacts with PRC2, is associated with the onset of NSCL/P and it is expressed in epithelial cells of the palatine laminae that approach to fusion. Analysis of the polymorphisms of genes encoding elements or partners of the two Polycomb complexes, showed a significant association between some of the SNPs investigated and pathology, further confirmed by the analysis of haplotypes. The analyzes of candidate genes allowed me to collect interesting data sulla'eziologia the malformation. Independent studies will be needed to confirm the association between genetic variants of these candidate genes and NSCL/P.

Two major types of B cells, the antibody-producing cells of the immune system, are classically distinguished in the spleen: marginal zone (MZ) and follicular (FO). In addition, FO B cells are subdivided into FO I and FO II cells, based on the amount of surface IgM. MZ B cells, which surround the splenic follicles, rapidly produce IgM in response to blood-borne pathogens without T cell help, while T cell-dependent production of high affinity, isotype-switched antibodies is ascribed to FO I cells. The significance of FO II cells and the mechanism underlying B cell fate choices are unclear. We showed that FO II cells express more Sca1 than FO I cells and originate from a distinct B cell development program, marked by high expression of Sca1. MZ B cells can derive from the “canonical” Sca1lo pathways, as well as from the Sca1hi program, although the Sca1hi program shows a stronger MZ bias than the Sca1lo program, and extensive phenotypic plasticity exists between MZ and FO II, but not between MZ and FO I cells. The Sca1hi program is induced by hematopoietic stress and generates B cells with an Igλ-enriched repertoire. In aged mice, the canonical B cell development pathway is impaired, while the Sca1hi program is increased. Furthermore, we showed that a population of unknown function, defined as Lin-c-kit+Sca1+ (LSK-), contains early lymphoid precursors, with primarily B cell potential in vivo. Our data suggest that LSK- cells may represent a distinct precursor for the Sca1hi program in the bone marrow.

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Anhidrotic Ectodermal Dysplasia (EDA), is the most frequent form among Ectodermal Dysplasias, hereditary genetic disorders causing ectodermal appendages defective development. Indeed, EDA is characterized by defective formation of hair follicles, sweat glands and teeth both in human patients and animals. EDA, the gene mutated in Anhidrotic Ectodermal Dysplasia, encodes Ectodysplasin, a TNF family member that activates NF-kB mediated transcription. This disease can occur with mutations in other EDA-NF-kB pathway members, as EDA receptor, EDAR and its adapter, EDARADD. Moreover, mutations in TRAF6, NEMO, IKB and NF-kBs genes are responsible for Immunodeficiency associated EDA (EDA-ID). Several molecules, as SHH, WNT/DKK, BMP and LTβ, have already been reported to be EDA pathway regulators or effectors although the knowledge of the full spectrum of EDA targets remains incomplete. During the first part of the research project a gene expression analysis was performed in primary keratinocytes from Wild-type and Tabby (EDA model mouse) mice to identify novel EDA target genes. Earlier expression profiling at various developmental time points in Tabby and Wild-type mouse skin reported genes differentially expressed in the two samples and, to increase the resolution to find genes whose expression may be restricted to epidermal cells, the study was extended to primary keratinocyte cultures established from E19 Wild-type and Tabby skin. Using microarrays bearing 44,000 gene probes, we found 385 “preliminary candidate” genes whose expression was significantly affected by Eda defect. By comparing expression profiles to those from Eda-A1 (where Eda-A1 is highly expressed) transgenic skin, we restricted the list to 38 “candidate EDA targets”, 14 of which were already known to be expressed in hair follicles or epidermis. This work confirmed expression changes for 3 selected genes, Tbx1, Bmp7, and Jag1, both in primary keratinocytes and in Wild-type and Tabby whole skin, by Q-PCR and Western blotting analyses. Thus, this study detected novel candidate pathways downstream of EDA. In the second part of the research project, plasmid constructs were produced and analyzed to create a transgenic mouse model for Immunodeficiency associated EDA disease (XL-EDA-ID). In particular, plasmids containing mouse Wild-type and mutated Nemo cDNA under K-17 epidermis-specific promoter control and a Flag tag, were prepared, on the way to confine transgene expression to mice epidermis and to determine EDA phenotype without immunodeficiency for a comparison to Tabby model phenotype. EDA-ID mutations reported in patients and selected for this study are: C417R (C409R in mouse), causing Zinc Finger protein domain destabilization and A288G (A282G in mouse) affecting oligomerization of the protein. Moreover, the ex-novo mutation, ZnF, C-terminal Zinc Finger domain deletion, was tested. Thus, the constructs were analyzed by transient transfection, Western blotting and luciferase assays techniques, detecting Nemo Wild-type and mutant protein products and residue NF-kB activity in presence of mutants, after TNF stimulation. In particular, MEF_Nemo-/- cell line was used to monitor NF-kB activity without endogenous Nemo gene. Results show reduced NF-kB activity in presence of mutated Nemo forms compared to Wild-type: 81% for A282G (A288G in human); 24% for C409R (C417R in human); 15% for ZnF. C409R mutation (C417R in human), reported in 6 EDA-ID human patients, was selected to prepare transgenic model mouse. Mice (white, FVP) born following K17-promoter-Flag-Nemo_C409R plasmid region pronuclear injection, were analyzed for the transgene presence in the genotype and a preliminar examination of their phenotype was performed. In particular, one mouse showed considerable coat defects if compared to Wild-type mice. This preliminar analysis suggests a possible influence of Nemo mutant over-expression in epidermis without immunodeficiency. Still, more microscopic studies to analyze hair subtypes, Guard, Awl and Zigzag (usually alterated inTabby mouse model), Immunohistochemistry experiments to detect epidermis restricted Nemo expression and sweat glands analysis, will follow. This and other transgene positive mice will be crossed with black mice C57BL6 to obtain at least two indipendent agouti lines to analyze. Theses mice will be used in EDA target genes detection through microarrays. Following, plasmid constructs containing other Nemo mutant forms (A282G and ZnF) might be studied by the same experimental approaches to prepare more transgenic model mice to compare to Nemo_C409R and Tabby mouse models.

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L’attività di ricerca ha riguardato lo studio di popolazioni di cellule staminali mesenchimali umane (MSC) ottenute da molteplici tessuti adulti. Sono state investigate sorgenti di MSC alternative al midollo osseo, libere da conflitti etici, dotate di vantaggi per l’applicabilità clinica che vanno dalla elevata resa nel recupero cellulare alla tessuto-specificità. Le cellule ottenute dalle diverse sorgenti sono state caratterizzate immunofenotipicamente, commissionate mediante protocolli di induzione specifici per i diversi tipi cellulari ed analizzate con opportuni saggi istologici, immunoistochimici, di espressione genica e proteica. Esperimenti di cocoltura hanno permesso la descrizione di capacità immunomodulatorie e trofiche. - La placenta a termine risulta essere una ricca sorgente di cellule staminali mesenchimali (MSC). Dalla membrana amniotica, dal corion e dalla gelatina di Wharton del cordone ombelicale sono state ottenute MSC con potenzialità differenziative verso commissionamenti mesenchimali, con capacità immunomodulatorie e trofiche. Tali tessuti sono ampiamente disponibili, garantiscono una elevata resa nel recupero cellulare e sono liberi da conflitti etici. - Due popolazioni di cellule con caratteristiche di MSC sono state individuate nella mucosa e nella sottomucosa intestinale. Queste cellule possiedono caratteristiche di tessuto-specificità, sono dotate di attività trofiche ed immunomodulatorie che potrebbero essere vantaggiose per approcci di terapia cellulare in patologie quali le Malattie Infiammatorie Croniche Intestinali (IBD). - Popolazioni di cellule staminali con caratteristiche simili alle MSC sono state ottenute da isole pancreatiche. Tali popolazioni possiedono vantaggi di tessuto-specificità per approcci di terapia cellulare per il Diabete. - Sono stati investigati ed individuati marcatori molecolari (molecole HLA-G) correlati con il livello di attività immunomodulatoria delle MSC. La valutazione di tali marcatori potrebbere permettere di determinare l’attività immunosoppressiva a priori del trapianto, con l’obiettivo di scegliere le popolazioni di MSC più adatte per l’applicazione e di definirne il dosaggio. - E’ stato messa a punto una metodica e una strumentazione per il frazionamento di cellule staminali in Campo Flusso in assenza di marcatura (NEEGA-DF). Questa metodica permette di discriminare sottopopolazioni cellulari in base a caratteristiche biofisiche.