Gut patterning and PANcreas development in evolution and disease: a TRAnsCriptomic approach

Summary

Many genes that have been shown to cause diseases were originally identified because of their role in embryonic development, but were subsequently shown to be also important in the postnatal control of cell growth and differentiation. This is the case of many transcription factors (TF) among which the ParaHox gene Xlox, whose mammalian homolog, Pdx1, is well known for its role in specification of the pancreas, and subsequent formation and maintenance of pancreatic beta-cells. Pdx1 is a causal factor in the development of diabetes, wherein there is a deficiency in insulin production of beta-cells within the pancreas. Moreover, mis-expression of Pdx1 is commonly seen in intestinal disorders such as Crohn’s disease. Here we propose to combine analyses in the highly simple but phylogenetically relevant sea urchin embryo and sea star embryo models with developmentally targeted mouse transcriptome data to characterize regulatory connections that are downstream of the disease-related Xlox/Pdx1 transcription factor.

What we do

We are coordinator of the project and Operating unit SZN and will perform all manipulations and analyses in sea urchin and sea star embryos and all bioinformatic analyses and evolutionary comparisons.

Partners

Stazione Zoologica Anton Dohrn, Napoli; Laboratorio di Medicina Molecolare e Genomica, Università degli Studi di Salerno.

Research Area

Organismal Biology

Project Lifetime

April 2014 to December 2015

SZN Role

Coordinator

Principal Investigator

Maria I. Arnone

Funding Institution

MIUR Progetti Premiali (DLGS 213/99)

Contribution to SZN

€169.143,00 (MIUR contribution)

Publications

Annunziata R and Arnone MI (2014). A dynamic network of regulatory interactions explains ParaHox gene control of gut patterning in the sea urchin embryo. Development 141: 2462-72.

Perillo M, Wang YJ, Leach SD and Arnone MI. Specification and differentiation of pancreatic, acinar-like cells in the sea urchin embryo and larva. Submitted to Development.

Meet the team

Maria I. Arnone, primo ricercatore
Rossella Annunziata, postdoc
Claudia Cuomo, PhD student
Elijah Lowe, postdoc

Marie Curie Career Integration Grant (FP7-PEOPLE-2011-CIG)

Summary

The main interest of the project is to study the Nitric Oxide Synthase (NOS) family evolution and its regulation during amphioxus development. In the framework of the project, setting-up an amphioxus facility at the SZN was a priority of national interest, representing the first Italian laboratory working with live amphioxus embryos on demand.
Since Furchgott, Ignarro and Murad won the Nobel Prize in Medicine or Physiology in 1998 for their breakthrough work on the role of nitric oxide (NO) as a multifunctional signaling molecule, many reports have shown the seemingly limitless range of body functions controlled by this compound. To manipulate the endogenous NO level for therapeutic benefits using NOS gene therapy is essential to understand the physiological and developmental functions of different NOS isoforms (nNOS, iNOS, eNOS). Due to their extensive conservation over evolutionary time, one would expect greater differences and structural changes in NOS genes than that we have observed (Andreakis 2011), reflecting the very ancient and essential nature of Nitric Oxide biological pathways.
Surprisingly, a single molecule, identical in all living animals, can fulfil a huge range of different functions. This suggests that differences in the regulation of NOS enzymes expression are key in explaining their functional diversification, functional novelties and degree of complexity.

What we do

We use as animal model system the cephalochordate amphioxus Branchiostoma lanceolatum, from the Gulf of Napoli (Italy) and from Banyuls-sur-Mer (France), with comparative and multidisciplinary approaches in the field of Evolutionary and Developmental Biology (Evo-Devo). The primary aim of this project is to perform a detailed study of the duplicated set of NOS genes during amphioxus development, trying to establish the basic primary NOS roles that are evolutionary conserved in chordates.

Partners

Stazione Zoologica Anton Dohrn, Napoli.

Research Area

Organismal Biology

Project Lifetime

August 2011 to July 2015

SZN Role

Coordinator

Principal Investigator

Salvatore D’Aniello

Funding Institution

European Commission, FP7 Call for Proposal: FP7-PEOPLE-2011-CIG
Grant no. 293871

Contribution to SZN

€100.000 (EU contribution)

Dedicated website

http://cordis.europa.eu/project/rcn/99685_en.html

Publications

Coppola U, Annona G, D’Aniello S* and Ristoratore F* (2015). Rab32/38 duplicated genes in chordate pigmentation: an evolutionary perspective BMC Evolutionary Biology, under review.

Annona G, Holland ND* and D’Aniello S* (2015). Evolution of the notochord. EvoDevo, in press.

Anishchenko E and D’Aniello S* (2015). Tunicate neurogenesis: the case of the SoxB2 missing CNE. Mathematical Models in Biology (Springer), in press.

Vassalli QA, Anishchenko E, Caputi L, Sordino P, D'Aniello S* and Locascio A* (2015). Regulatory elements retained during chordate evolution: Coming across tunicates. Genesis 53: 66-81.

Pascual-Anaya J, D’Aniello S, Kuratani S and Garcia-Fernàndez J (2013). Evolution of the Hox clusters in deuterostomes. BMC Developmental Biology 13: 26.

Meet the team

Salvatore D’Aniello, Ricercatore    
Evgeniya Anishchenko, post-doc
Giovanni Annona, post-doc
Filomena Caccavale, PhD student

Non-Coding RNA Explosion: Novel Implications in Neurotrophin Biology
FIRB, MIUR-Cineca

Summary

The main focus of the project is the identification of non-coding RNAs (ncRNA) that regulate the expression of Neurotrophins (NT) and NT receptors (NTR). ncRNAs are a novel class of regulatory molecules that have been shown to be involved in almost all biological phenomena, including development and physiology of the nervous system.
Neurotrophins (NT) (BDNF, NGF and NT sensu stricto) are growth factors that control development, differentiation, synaptic plasticity and survival of several types of neuronal and glial cells in the embryonic and adult central nervous system and sensory organs. Based on the NT role in development and physiology of the nervous system, the present project aims at extending our knowledge on NTs molecular pathways, with emphasis on the their relationships with stress, aging and diseases.
The project will take advantage of as bioinformatic, molecular, genetic, biochemical and behavioural multidisciplinary approaches, with the aim to acquire new insights on the genetic regulatory networks and on the functions exerted by NT and NT receptors during the correct development and in conditions of thermal, social and nutritional stress. A distinctive feature of this research proposal is the use of three different model systems: cells, mouse and zebrafish.
In summary, the main purpose of the present project is to study the molecular, cellular and behavioural phenotype of NTs and NTRs, with emphasis on the relationships of these molecules with stress, ncRNAs and neurodegenerative diseases (NDs).
We are knocking out the BDNF, one of the most known neurotrophin together NGF, in zebrafish using the CRISPR/Cas9 thecnology to he improve our understanding of the role played by NTs during embryonic development and adult brain physiology, with particular attention to the biomedical impact in terms of diagnosis and treatment of neurodegenerative diseases.

What we do

We built a national network, in which the Stazione Zoologica Anton Dohrn of Napoli is the leader Institute, with the aim to merge multidisciplinary approaches and competences to reveal the importance of NT during vertebrate’s brain development.

Partners

Stazione Zoologica Anton Dohrn, Napoli (Unit 1); Dipartimento di Biologia e Biotecnologie "Charles Darwin", Università di Roma Sapienza (Unit 2); Dipartimento di Scienze Biologiche, Università di Napoli Federico II (Unit 3); Laboratorio di Bioinformatica, Università del Sannio (Unit 4).

Research Area

Organismal Biology

Project Lifetime

21 March 2013 to 20 March 2018

SZN Role

Coordinator of the whole project and Research Unit 1

Principal Investigator

Salvatore D’Aniello

Funding Institution

Futuro In Ricerca (FIRB), http://futuroinricerca.miur.it; Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (MIUR), http://www.istruzione.it        
Grant no. RBFR12QW4I

Contribution to SZN

€369.443 (MIUR contribution)

Publications

D’Agostino Y, Locascio A, Ristoratore F, Sordino P, Spagnuolo A, Borra M* and D’Aniello S* (2015). A rapid and cheap methodology for CRISPR/Cas9 zebrafish mutant screening. Molecular Biotechnology, in press.

Meet the team

Salvatore D’Aniello, Ricercatore
Ylenia D’Agostino, PhD student
Annamaria Locascio, Ricercatore
Filomena Ristoratore, Ricercatore
Paolo Sordino, Ricercatore
Antonietta Spagnuolo, primo Ricercatore

Summary

Il progetto DIsCO, Diatom life cycles, molecular controls and contribution to ecosystem dynamics
(Cicli vitali delle diatomee, controlli molecolari e contributo alla dinamica degli ecosistemi), si inquadra nella Marine Microbial Initiative promossa dalla Fondazione Gordon and Betty Moore.
In questo progetto altamente multidisciplinare si combinano approcci di laboratorio, studi a mare e approcci di modellistica per rispondere a diverse domande relative al controllo del ciclo vitale della diatomea Pseudo-nitzschia multistriata. In particolare ci si prefigge di i) comprendere i meccanismi endogeni che controllano il ciclo vitale della diatomea (quali sono i meccanismi di trasduzione del segnale? Quali sono le reti geniche coinvolte? Esiste un controllo epigenetico nelle transizioni tra le fasi del ciclo vitale?); ii) seguire le popolazioni naturali a mare mediante genomica di popolazione, in modo da comprendere la struttura genetica ma anche le dinamiche di evoluzione del genoma; iii) stimare quanto i processi di diversificazione genetica siano guidati da fattori ambientali, quanto la diversità genetica possa essere il risultato dell'interazione "neutra" tra divisione cellulare, mutazione genetica e ricombinazione, e quale sia l'effetto previsto delle perturbazioni ambientali sui tassi di divisione, mutazione e ricombinazione.
Il progetto prevede una componente importante di sviluppo ed applicazione di tecnologie innovative per il fitoplancton, tra cui il metodo dell’ATAC-seq per studi di epigenetica, la tecnologia CRISPR/Cas9 per lo studio della funzione genica e la trascrittomica su singola cellula per l’analisi dei diversi stadi sessuali.
La possibilità di formulare ipotesi in laboratorio e verificarle con dati ottenuti a mare, e viceversa, e la sintesi prevista con lo sviluppo di modelli conferiscono a questo progetto un connotato fortemente innovativo.
Obiettivi generali sono l’ampliamento delle conoscenze di base sulla componente microscopica degli ecosistemi marini, la comprensione delle dinamiche di evoluzione del genoma e delle conseguenze evolutive del processo di riproduzione sessuale in un organismo unicellulare marino.

What we do

La SZN è coinvolta in tutte le attività del progetto. Per affrontare le diverse domande, una parte dello studio è realizzata mediante sperimentazione di laboratorio con tecniche avanzate di genomica funzionale, una parte prevede campionamenti a mare nel sito della serie a lungo termine LTER-MareChiara nel Golfo di Napoli e in altri siti del Mediterraneo, e una terza parte prevede l’applicazione di approcci di modellistica. Metodi di sequenziamento di ultima generazione sono usati ampiamente per aspetti diversi del progetto, e gran parte dei dati generati prevede l’ausilio di metodi di bioinformatica per l’analisi.

Partners

Stazione Zoologica Anton Dohrn, Napoli, Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), Trieste.

Research Area

Genomica Funzionale, Evoluzione del genoma, Genetica di popolazione, Modellistica

Project Lifetime

Dicembre 2018 - Novembre 2021

SZN Role

Coordinatore

Principal Investigator

Mariella Ferrante

Project Leader

Mariella Ferrante

Funding Institution

The Marine Microbiology Initiative funded by the Gordon and Betty Moore Foundation (USA)

Dedicated website

In costruzione

Personnel involved

Mariella Ferrante, Principal investigator

Marina Montresor, Senior Researcher
Daniele Iudicone, Senior Researcher
Domenico D’Alelio, Researcher
Rossella Annunziata, Researcher
Francesco Manfellotto, Post-doc
Pina Marotta, Post-doc
Maria Valeria Ruggiero, Post-doc
Monia Teresa Russo, Technician
Pasquale De Luca, Senior Technologist
Elio Biffali, Senior Technologist
Gabriele Procaccini, Research Director

Empowering an integrated platform for the study of human diseases with great impact by means of system phenotyping of model animals: mouse and zebrafish clinic (MouZeCLINIC).

Summary

MouZeCLINIC is an infrastructural and training network in biomedicine by means of acquatic and terrestrial model organisms. Through the use of advanced methods of genetic analysis and imaging technologies, MouZeCLINIC aims at performing system phenotyping in zebrafish and mouse models of human diseases. MouZeCLINIC is training a new generation of young researchers by combining the strengths of modern technologies with a real understanding of traditional approaches. The MouZeCLINIC consortium involves two research centers and one academic institution that will provide the MouZeCLINIC fellows with expertise, specialized equipment and training on a wide range of approaches and methodologies incorporated in developmental genetics and translational medicine.

What we do

We are one of the three partners and are contributing by training students, by developing a zebrafish infrastructure and by studying fish models of neuroinflammation, toxicity and metabolism.

Partners

BioGem scarl – Ariano Irpino (Avellino) - IT; Stazione Zoologica Anton Dohrn, Napoli – IT; Università della Magna Graecia – Germaneto (Catanzaro) - IT

Research Area

Organismal Biology

Project Lifetime

January 2012 to July 2015

SZN Role

Partner

Principal Investigator

Paolo Sordino

Funding Institution

Ministero dell’Istruzione dell’Università e della Ricerca (MIUR):
Programma Operativo Nazionale - ”Ricerca e Competitività” 2007-2013
Grant no. PONa3_00239

Contribution to SZN

Infrastructure € 1.273.424,00 (MIUR contribution)
Training € 733.670,00 (MIUR contribution)

Dedicated website

http://www.ponrec.it/open-data/risultati/potenziamento-strutturale/pona3_00239

Publications

Pappalardo A, Porreca I, Caputi L, De Felice E, Schulte-Merker S, Zannini M, Sordino P (in press) Thyroid development in zebrafish lacking TAZ. Mechanisms of Development.

Fortunato AE, Sordino P, Andreakis N (in press) Evolution of the SOUL heme-binding protein superfamily across Eukarya. J Molecular Evolution.

Porreca I, D’Angelo F, Gentilcore D, Carchia E, Amoresano A, Affuso A, Ceccarelli M, De Luca P, Esposito L, Guadagno FM, Mallardo M, Nardone A, Maccarone S, Pane F, Scarfò M, Sordino P, De Felice M, Ambrosino C (2014) Cross-species toxicogenomic analyses and phenotypic anchoring in response to groundwater low-level pollution. BMC Genomics 15: 1067.

De Felice E, Porreca I, Alleva E, De Girolamo P, Ciriaco E, Germanà A, Sordino P (2014) Localization of BDNF expression in the developing brain of zebrafish. Journal of Anatomy 224: 564.

Ferriero R, Manco G, Lamantea E, Nusco E, Ferrante MI, Sordino P, Stacpoole PW, Lee B, Zeviani M, Brunetti-Pierri N (2013) Phenylbutyrate therapy for pyruvate dehydrogenase complex deficiency and lactic acidosis. Science Transl Med, 5 (175): 175ra31.

Porreca I, De Felice E, Fagman H, Di Lauro R, Sordino P (2012) Zebrafish bcl2l is a survival factor in thyroid development. Developmental Biology 366:142.

Meet the team

Paolo Sordino, ricercatore

Il Dipartimento di Infrastrutture di ricerca per le risorse biologiche marine fornisce servizi ad elevato contenuto tecnologico ed accesso a infrastrutture e piattaforme di ricerca alla comunità scientifica nazionale ed internazionale oltre che supportare le attività di terza missione quali ad esempio le commesse in Conto Terzi

Il Parlamento italiano approva nel 1982 una legge speciale a favore della Stazione Zoologica, che assicura un aumento del finanziamento e ne riconosce giuridicamente lo status di "Istituto scientifico speciale" di pubblico interesse, posto sotto la supervisione e il controllo del Ministero della Università e della Ricerca Scientifica e Tecnologica. Comunque l'Istituto conserva una larga autonomia scientifica.
Nello stesso anno (1982) l'Istituto acquisisce il nome "Stazione Zoologica Anton Dohrn", il che non deve essere considerato solo un omaggio alla grande realizzazione di Dohrn, ma anche il riconoscimento del suo progetto di realizzare una ricerca di punta in un laboratorio di ricerca libero da vincoli nazionali, filosofici o disciplinari.

La gestione della Stazione Zoologica viene affidata ad un Presidente, un Direttore e un Consiglio di Amministrazione. Viene creato un Consiglio Scientifico internazionale. Nel 1987 Gaetano Salvatore viene nominato Presidente.
La struttura interna viene rimodellata, in modo da combinare due scopi che per lungo tempo erano stati considerati come contraddittori: da una parte l'enfasi sulla ricerca prodotta dalla struttura propria della Stazione e dall'altro la cooperazione nazionale e internazionale. Particolare impegno viene messo nello sviluppo di nuovi laboratori nei settori di punta della biologia, come la Biologia molecolare e le Biotecnologie, nella promozione e partecipazione ai progetti nazionali ed internazionali finalizzati alla soluzione dei problemi legati alla salvaguardia dell'ambiente marino e alla razionale utilizzazione delle risorse del mare.

I programmi di formazione, che erano rimasti per lungo tempo un aspetto secondario delle attività della Stazione, divengono una priorità. Vengono promossi ed organizzati corsi regolari e specializzati, convegni e seminari, insieme ad un programma di formazione dottorale per ricercatori e tecnici italiani e stranieri.

Anton Dohrn aveva creato la Stazione con i reparti di Zoologia, Botanica e Fisiologia. La nuova struttura dei laboratori di ricerca include la Biochimica e Biologia molecolare, la Neurobiologia, l'Oceanografia biologica, la Botanica marina, la Biologia cellulare, l'Ecofisiologia e l'Ecologia bentonica. Le strutture tecniche comprendono una delle migliori biblioteche nel campo della Biologia Marina e campi collegati, l'Archivio storico e le Collezioni scientifiche (un museo con circa 3500 campioni provenienti dal Golfo di Napoli, alcuni dei quali molto rari, un erbario che svolge il ruolo di archivio per materiale storicamente importante, oltre che sito permanente di olotipi delle nuove specie scoperte nel Golfo).
La ricerca alla Stazione Zoologica si era da sempre concentrata su due aspetti degli organismi marini: da una parte le loro strutture, funzioni e comportamenti sono studiati per far avanzare la conoscenza sugli organismi viventi nel Mediterraneo, dall'altra questi organismi sono gli strumenti per spingere avanti la conoscenza sui processi fondamentali della vita.

La ricerca biologica fondamentale si associa allo studio delle opportunità di usare le biotecnologie per la utilizzazione delle risorse naturali marine, come la cultura artificiale degli invertebrati, l'utilizzazione di sostanze biologicamente attive, lo studio dell'ambiente marino in relazione alla biodiversità, centrata sugli ecosistemi complessi come le praterie sotterranee di Posidonia.

Il nuovo schema organizzativo della Stazione Zoologica, definito nel 1967, prende del tempo per essere applicato, nel frattempo nel 1976 viene nominato un nuovo direttore, Alberto Monroy, con il difficile compito di ristabilire il prestigio dell'Istituto, attraverso nuove collaborazioni internazionali fondate su un solido programma scientifico interno. Il compito principale al quale il nuovo direttore si trova confrontato è di dare un nuovo dinamismo scientifico alla "vecchia signora", dato che il modello tradizionale di funzionamento mostrava chiaramente i segni del tempo ed era incapace di rispondere alle nuove esigenze della ricerca scientifica.

Anche nell'era della Biologia molecolare, la varietà dei sistemi di organi negli animali marini continuava ad offrire la più grande diversità di forma e di funzione, diversità necessaria alla comprensione delle proprietà fondamentali dei sistemi viventi.
È questa la grande sfida scientifica che si presenta alla fine degli anni '70 e all'inizio degli anni '80. L'insieme dei processi vitali che avevano dall'inizio costituito i problemi scientifici portanti della Stazione (la fecondazione e lo sviluppo, l'evoluzione, la memoria, la trasmissione nervosa) viene reinterpretata in chiave molecolare, grazie ai nuovi strumenti concettuali (informazione, programma, regolazione genica) e tecnici (la microscopia elettronica, la chimica delle macromolecole e infine l'ingegneria genetica). Ciò di cui la Stazione ha bisogno è un nuovo contesto per la collaborazione internazionale, uno sforzo per portare la ricerca di punta all'interno della vita scientifica dell'istituto, con l'aumento della partecipazione degli scienziati organici all'istituto a programmi internazionali di ricerca.

Nei due decenni fra il 1960 ed il 1980 la Stazione Zoologica getta le basi per un cambiamento strutturale di fondo. Il sistema dei "tavoli di studio" che per circa un secolo aveva garantito la base economica e l'internazionalità viene modificato e l'attenzione viene posta anche sui programmi di ricerca interni alla istituzione. Tuttavia, solo il centro dell'interesse cambia, non il carattere internazionale. Se fino al 1968 l'internazionalità era basata sui ricercatori ospiti dei tavoli di studio, negli anni successivi questo carattere viene garantito attraverso la collaborazione con colleghi ed istituzioni estere. La nuova struttura scientifica e tecnica, dai pescatori, alla biblioteca, ai tecnici di laboratori e naturalmente ai ricercatori mostra una notevole capacità di adattarsi con rapidità a nuovi approcci di ricerca. Quello che nel primo secolo di storia della Stazione era un obbligo per fare fronte alle richieste dei ricercatori ospiti dei tavoli di studio, diventa un modo per costruire nuovi progetti e nuove collaborazioni internazionali.

L'Ecologia è un punto focale nel nuovo sviluppo e la Stazione diviene un punto di riferimento obbligatorio per ogni programma sull'ecologia del Mediterraneo, mentre le competenze acquisite possono essere usate in altri contesti ecologici, compreso l'antartico.
Era però difficile cambiare gli obiettivi ed il modo di funzionamento di un intero istituto, portando in esso sangue nuovo e nuove energie. I crescenti limiti finanziari e le difficoltà istituzionali divengono un grande ostacolo per la vita scientifica della Stazione. Un nuovo salto in avanti finanziario ed istituzionale si rivela indispensabile.

Dopo la seconda guerra mondiale, la scienza ed in particolare le scienze biomediche si espandono ad una velocità impressionante e su una scala istituzionale ed economica in crescita continua. Il numero di scienziati aumenta rapidamente, come aumentano i costi delle apparecchiature e dei materiali di laboratorio. L'era della scienza romantica è finita e gli ideali della ricerca scientifica passano dall'impresa individuale legata ai sogni e ai progetti dei singoli ad uno sforzo collettivo su grande scala.

La Stazione rimane un punto di riferimento a livello internazionale, e "l'esperienza napoletana" continua a convincere scienziati brillanti ad andare alla Stazione. Questo è vero soprattutto per la biologia italiana e per l'Università di Napoli; la Stazione Zoologica per molti dei ricercatori italiani costituisce il modo per entrare in contatto con la ricerca biologica di punta, grazie alla presenza a Napoli di ricercatori ospiti e alla straordinaria biblioteca. Il carattere internazionale della istituzione viene mantenuto tramite progetti di collaborazione scientifica, in primo luogo con il Marine Biological Laboratory di Woods Hole e i laboratori inglesi di biologia marina.

Tuttavia, il sistema dei "tavoli" porta necessariamente alla frammentazione dei programmi e alla dispendiosa dispersione delle apparecchiature sperimentali, dato che ogni ricercatore arriva con il proprio progetto e cerca a Napoli le migliori condizioni per realizzarlo. Questo produce una larga eterogeneità dei programmi di ricerca, che dipendono dagli scienziati che occupano i diversi tavoli messi a disposizione dei governi, senza alcuna continuità che potesse ammortizzare gli importanti investimenti resi necessari dal nuovo tipo di ricerca biologica. Una certa eterogeneità esisteva anche in precedenza, ma essa aumenta ancora nel secondo dopoguerra, seguendo la moltiplicazione delle linee di ricerca della biologia, che sta diventando la scienza leader a livello mondiale. Questo produce una difficile crisi finanziaria.

Ci si rende conto che la Stazione Zoologica ha bisogno di una nuova struttura istituzionale e amministrativa, in modo da garantirsi una base finanziaria solida e permanente. Per circa un secolo il governo italiano aveva continuato a riconoscere il carattere unico della Stazione, un istituto privato in un quadro internazionale, ma nel nuovo contesto della scienza, questa situazione non è ulteriormente sostenibile. Nel 1967 il Governo italiano affida la gestione dell'Istituto a commissari straordinari.