Ultimo aggiornamento: 2 dicembre 2021
La tecnica permette di prevedere il comportamento di cellule e tessuti in rapida trasformazione, con ricadute importanti sullo studio dell’evoluzione tumorale e dei meccanismi di resistenza ai farmaci.
Milano, 12 ottobre 2021 – Le tecniche di analisi genetica ed epigenetica sono strumenti imprescindibili per capire cosa accade dentro le cellule e i tessuti del nostro organismo, tecniche da cui dipende la messa a punto di nuove strategie terapeutiche e lo studio della loro efficacia. Da oggi, grazie al lavoro dei ricercatori del Centro di Scienze Omiche dell’IRCCS Ospedale San Raffaele di Milano, diretto da Giovanni Tonon, gli scienziati hanno a disposizione un nuovo e potente strumento. Si chiama “scGET-seq” ed è stato sviluppato con il coordinamento di Francesca Giannese e Davide Cittaro, responsabili dell’area bioinformatica dell’innovation lab recentemente aperto, e dallo stesso Giovanni Tonon.
Lo strumento, descritto sulle pagine della prestigiosa Nature Biotechnology, permetterà di ottenere contemporaneamente – e per ogni singola cellula di un tessuto – sia la sequenza di DNA sia il suo stato di compattamento nel nucleo, che fornisce informazioni preziose per predire il comportamento della cellula. Grazie a questa nuova tecnica gli scienziati potranno studiare meglio i sistemi dinamici di cellule come lo sviluppo embrionale, la medicina rigenerativa e il cancro.
Cromatina e comportamento cellulare
Il DNA viene conservato all’interno del nucleo delle cellule in una forma altamente compatta: arrotolato più volte attorno a delle specifiche proteine, come un fittissimo gomitolo. È solo grazie a questa conformazione che il DNA – lungo circa 2 metri e piuttosto fragile – è in grado di conservarsi stabilmente all’interno delle cellule.
L’insieme del DNA e delle proteine attorno a cui viene compattato si chiama cromatina ed è una struttura altamente dinamica. La cellula ha infatti continuamente bisogno di accedere a parti diverse della sequenza di DNA per leggere i geni e tradurli in proteine e questo significa che la cromatina deve continuamente aprirsi e chiudersi in punti diversi.
“Se conoscere la sequenza di DNA di una cellula ci dà moltissime informazioni sulla sua identità – perché ci dice che cosa è potenzialmente in grado di fare – lo stato di apertura e chiusura della cromatina ci dice di più su come la cellula si stia comportando,” spiega Francesca Giannese. “L’apertura della cromatina è infatti necessaria per poter accedere a una data porzione del DNA e quindi per tradurre un gene in proteina e attivare qualsiasi processo cellulare. La nostra tecnica permette di ottenere entrambe le informazioni.”
Predire il comportamento cellulare
I ricercatori del Centro di Scienze Omiche dell’Ospedale San Raffaele hanno inventato questa nuova tecnica di analisi partendo da un enzima già esistente in natura, il cui compito abituale è spostare pezzi del genoma da una posizione all’altra della sequenza, attraverso un processo di “taglia e cuci”. Tramite l’ingegnerizzazione dell’enzima, i ricercatori sono riusciti a ottenere uno strumento biotecnologico completamente nuovo: una molecola in grado di leggere allo stesso tempo lo stato di apertura della cromatina e la sequenza di DNA.
“Il livello di informazioni ottenute per singola cellula è abbastanza dettagliato da consentire anche – tramite un approccio computazionale – la costruzione di una sorta di modello predittivo del comportamento cellulare,” continua Davide Cittaro. “Siamo cioè in grado di capire, partendo dalla conformazione della cromatina, in che direzione stiano andando le cellule di un tessuto: quali geni stiano per leggere e quindi quali programmi cellulari stiano avviando.” Questo può avere un’implicazione molto importante nello studio di sistemi altamente dinamici, come lo sviluppo embrionale – durante il quale le cellule si differenziano e vanno a formare i vari tessuti – o come il cancro. Le cellule tumorali sono infatti sottoposte a una notevole pressione selettiva e sono per questo in continuo cambiamento.
“L’evoluzione delle cellule tumorali verso comportamenti sempre più aggressivi e lo sviluppo di fenomeni di resistenza ai farmaci sono dovuti solo in parte all’emergere di nuove mutazioni nel DNA del tumore,” spiega Giovanni Tonon, direttore del Centro di Scienze Omiche e responsabile del laboratorio Genomica Funzionale del Cancro presso il San Raffaele. “Una parte importante di queste nuove abilità del tumore dipende invece da modifiche nel comportamento della cellula, ovvero da modifiche epigenetiche: a cambiare è il modo in cui le cellule tumorali leggono e utilizzano il DNA, non il DNA di per sé. Ecco perché lo strumento che abbiamo messo a punto è così importante per la ricerca contro il cancro: potrà aiutarci a prevedere e comprendere meglio il comportamento delle cellule malate, aiutandoci a sviluppare nuove terapie ed approcci sempre più precisi.”
La ricerca è stata possibile grazie al sostegno di Fondazione AIRC per la ricerca sul cancro, di Cancer Research UK e del Ministero della Salute Italiano.
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Chromatin Velocity reveals epigenetic dynamics by single-cell profiling of heterochromatin and euchromatin – Nature Biotechnology 2021
Martina Tedesco§ 1,2, Francesca Giannese§ 3, Dejan Lazarević3, Valentina Giansanti3,4, Dalia Rosano2,5, Silvia Monzani6, Irene Catalano7,8, Elena Grassi7,8, Eugenia R. Zanella8, Oronza A. Botrugno2, Leonardo Morelli 3, Paola Panina Bordignon1,9, Giulio Caravagna10, Andrea Bertotti7,8, Gianvito Martino1,9, Luca Aldrighetti11, Sebastiano Pasqualato6, Livio Trusolino7,8, Davide Cittaro*3, Giovanni Tonon*2, 3