IFOM Controllo della trascrizione durante lo sviluppo e nel cancro

Controllo della trascrizione durante lo sviluppo e nel cancro

Introduzione

Controllo della trascrizione durante lo sviluppo e nel cancro è un programma di ricerca IFOM coordinato da Francesco Blasi e dedicato allo studio di una famiglia di regolatori dell'espressione dei geni che gioca un ruolo fondamentale in fasi cruciali dello sviluppo embrionale e di quello tumorale.

Nelle cellule ci sono intere famiglie di proteine, i fattori trascrizionali, specializzate nello svolgimento di un compito preciso: legare il DNA, attivarne o reprimerne la trascrizione e determinare così lo stato di attivazione o silenziamento dei geni.

Una di queste famiglie è quella delle proteine TALE, che appartiene a una famiglia ancora più grande di fattori, tutti accomunati dalla presenza nella loro struttura del cosiddetto omeodominio, una regione proteica coinvolta nella morfogenesi, ovvero nella regolazione delle procedure di sviluppo dell'organismo.

Sono infatti queste omeoproteine che, facendo esprimere alle cellule programmi genetici specifici, indicano all'embrionedov'è la testa e dov'è la coda e specificano l'identità di quel che sta in mezzo.

Nell'organismo ormai adulto invece un loro funzionamento anomalo è spesso associato al cancro, comportando lo stravolgimento dei programmi di espressione genica all'interno delle cellule malate.

Come spesso si riscontra nei fattori che governano lo sviluppo embrionale, tra i membri della famiglia TALE ci sono, infatti, soppressori tumorali e proteine che possono trasformarsi in promotori della trasformazione maligna.

Solo la loro azione bilanciata garantisce alla cellula di mantenere l'equilibrio necessario a condurre un'esistenza normale.

Allo studio della complessa attività di questi fattori IFOM dedica il programma Controllo della trascrizione durante lo sviluppo e nel cancro.

Il team di ricerca condotto da Francesco Blasi studia lo specifico ruolo dei singoli membri della famiglia TALE e la loro interazione nella regolazione dell'espressione genica delle cellule in condizioni normali e patologiche, al fine di capire l'equilibrio normale che governa la cellula e come questo equilibrio venga destabilizzato quando il tumore si sviluppa.

L'ambito biologico

Il programma di ricerca Controllo della trascrizione durante lo sviluppo e nel cancro studia la famiglia di proteine TALE e il suo ruolo nella regolazione dell'espressione dei geni.

Tutte le cellule dell'organismo possiedono lo stesso genoma che, a sua volta, è uguale a quello della prima cellula dell'individuo, lo zigote.

Attraverso l'espressione differenziale dei geni, avvengono molteplici combinazioni delle diverse porzioni del repertorio genetico originario. Nell'embrione queste combinazioni danno forma alle diverse parti del corpo e nell'organismo adulto sono alla base della specializzazione delle cellule. Alcune diventano globuli rossi e fabbricano emoglobina, altre seguono il destino dei linfociti e producono anticorpi, altre ancora assumono l'identità di cellule della pelle e fanno cheratina, e via dicendo.

Alla "regia" dell'espressione dei vari programmi specifici di specializzazione sia nell'embrione sia nell'organismo adulto vi sono vari meccanismi. Il primo fra tutti è quello della regolazione trascrizionale, che a partire da determinati fattori o dall'associazione di diversi fattori, impartisce precise regole spaziali e temporali alla trascrizione di centinaia di geni specifici.

Un piano regolatore importante è quello che vede associati i fattori trascrizionali appartenenti alla famiglia delle omeoproteine, in particolare i prodotti dei geni hox ed alcuni geni della sottofamiglia TALE, Pbx, Prep e Meis.

La combinazione di questi fattori trascrizionali ha un ruolo cruciale non solo nell'embriogenesi, ma anche nell'organismo adulto svolgono, in cui contribuiscono al mantenimento delle cellule staminali della ghiandola mammaria e del sangue e alla specializzazione dei diversi tipi cellulari presenti in quest'ultimo.

Si tratta di un piano regolatore estremamente complesso, ulteriormente complicato dal fatto che esistono due diverse Prep, cinque forme di Meis e sei Pbx e di alcune di esse non si conosce quasi nulla.

Si sa però che Pbx1 è direttamente collegato alla trasformazione maligna nelle leucemie, che molti tumori presentano spesso una riduzione consistente dei livelli di Prep1, che la sua carenza predispone, infatti, all'insorgenza di neoplasie, come fa anche la presenza, al contrario, di quantità in eccesso di Meis1.

Agli studi di Francesco Blasi si devono molte delle conoscenze acquisite su questi fattori, ma in particolare lo scienziato e il suo team in IFOM hanno scoperto un ruolo inedito per Prep1: costituisce un elemento chiave per mantenere l'integrità il genoma. Senza di essa il DNA è più soggetto a danni e la cellula più incline ad andare incontro a trasformazione maligna. Questa acquisizione potrebbe aprire un nuovo capitolo nella storia di queste proteine e spiegare anche diversi aspetti del loro coinvolgimento nel cancro.

Gli obiettivi del programma

Studiare il ruolo biologico dei membri di una famiglia proteica, come si propone di fare con le proteine TALE il programma IFOM Controllo della trascrizione durante lo sviluppo e nel cancro, significa entrare nei meccanismi molecolari della loro azione.

Aspetto fondamentale è quindi, per esempio, approfondire il ruolo delle proteine Prep nel mantenimento dell'integrità del genoma cellulare, che rappresenta per l'organismo un punto essenziale per tutelarsi dai tumori.

Ma non solo. Obiettivo del programma è comprendere i principi fondamentali delle dinamiche di interazione reciproca tra tutti questi fattori, le sinergie e gli antagonismi che mettono in atto nel controllare l'espressione dei geni o altri aspetti della vita delle cellule.

Strettamente collegato a questo, è inoltre l'interesse a identificare i loro bersagli specifici e a capire in quale modo riconoscono, attivano o reprimono il DNA per la trascrizione.

Gli approcci

Nell'ambito del programma Controllo della trascrizione durante lo sviluppo e nel cancro, il team di scienziati IFOM coordinato da Blasi si pone come obiettivo lo studio approfondito della famiglia di proteine TALE e la completa comprensione del ruolo che i suoi diversi membri svolgono nell'organismo.

Per realizzare un'analisi a tuttotondo di queste proteine sono utilizzati i più svariati approcci di biologia cellulare, molecolare e di biochimica.

Si va dall'impiego della tecnica di silenziamento genico, che permette al gruppo di studiare la funzione dei diversi fattori osservando il comportamento della cellula in loro assenza, alla cosiddetta ChIPSeq, la tecnica che, combinando l'immunoprecipitazione della cromatina con le tecnologie di sequenziamento del genoma, fornisce mappe topografiche dettagliate dell'interazione di questi fattori con il DNA.

La possibilità di visualizzare tutti i punti del materiale genetico che entrano in contatto con i regolatori trascrizionali rappresenta infatti un aspetto chiave per indagare i meccanismi d'azione.

Altrettanto importante è analizzare i complessi che queste proteine organizzano nel vivo della cellula e utilizza per farlo viene utilizzata una particolare tecnica di purificazione (detta TAP), che consente il recupero dei complessi proteici senza alterarne composizione e caratteristiche.

Per svelare l'architettura dei complessi formati dalle proteine TALE e comprendere il modo in cui questi legano il DNA condizionandone l'interpretazione viene impiegata la sofisticata tecnica della cristallografia a raggi X

Impatto su diagnosi, prevenzione o trattamento dei tumori

Il comportamento della cellula in qualunque circostanza, dallo sviluppo dell'embrione a quello di un tumore, dipende essenzialmente dal programma di geni attivo al suo interno. Cambiare questo programma significa riuscire a intervenire sul suo comportamento e quindi, se la cellula in questione è maligna, offre l'opportunità di bloccare il tumore.

Conoscere i programmi genetici delle diverse cellule tumorali e capire in quale maniera vengono determinati consente infatti di individuare i responsabili della trasformazione e progressione tumorale e tutta una serie di nuovi bersagli per lo sviluppo di terapie mirate. 

In questa direzione va il potenziale impatto delle ricerche condotte da Francesco Blasi sulla famiglia TALE di regolatori dell'espressione di geni, nell'ambito di Controllo della trascrizione durante lo sviluppo e nel cancro

Le conoscenze prodotte attraverso questo programma IFOM potrebbero trovare applicazione, in primis, nella lotta ai tumori del sangue - leucemie e linfomi - e della mammella, nella cui biologia i fattori TALE hanno già dimostrato di avere un ruolo.

 


IFOM Review

TALE homeodomain transcription factors: super-regulators of the genome transcriptional specificity
Commentary on Francesco Blasi's paper published on Cell reports, by Miguel Torres Sánchez (2014)
The role of MYBBP1A in early embryonic development
Commentary on Francesco Blasi's paper published on PloS one, by Tom Gonda (2013)
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