Trascrizione genica, un mondo di possibilità

Negli eucarioti il macchinario della trascrizione viene finemente regolato da un gran numero di proteine e complessi di molecole, con meccanismi d'azione non sempre conosciuti. Scoprire nuovi attori o nuove funzioni apre numerose opportunità anche in campo farmacologico.

“Capire il funzionamento di enhancer e ncRNA significa capire le radici dell’emopoiesi stessa e magari identificare quella manciata di elementi regolatori che, una volta attivati, determinano l’attivazione a cascata di centinaia e migliaia di geni indispensabili al differenziamento delle cellule del sangue.”

RICERCANDO ALL’ESTERO – “La trascrizione è critica in qualsiasi cellula, ancora di più in una cellula tumorale che ha bisogno di distorcere a proprio vantaggio i processi fisiologici. Mi piace l’idea di avere un impatto forte nella scienza di base, aprire nuove prospettive anche farmacologiche. E poi se nella vita sei una persona molto curiosa e ti piace affrontare l’ignoto, questo è il campo perfetto per te, perché non saprai mai fino in fondo come si concluderà la storia che hai iniziato”.

Nome: Alessandro Gardini
Età: 38 anni
Nato a: Bologna
Vivo a: Filadelfia (Stati Uniti)
Dottorato in: Medicina molecolare (Milano)
Ricerca: Il ruolo dei ncRNA e degli enhancer nel differenziamento cellulare.
Istituto: The Wistar Institute (Filadelfia, USA)
Interessi: viaggiare, cucinare, giocare con mia figlia.
Di Filadelfia mi piace: è una città che puoi vivere a piedi e in bicicletta.
Di Filadelfia non mi piace: la sporcizia, l’incuria, la mancanza di una visione con cui prendersi cura dei beni pubblici.
Pensiero: Turn and face the strange. (David Bowie, Changes)

Cosa sono i ncRNA e gli enhancer?
Gli enhancer sono elementi regolatori del genoma, regioni di DNA che svolgono un ruolo fondamentale nella trascrizione dei geni con meccanismi ancora abbastanza oscuri. Agiscono in cis, quindi regolano da vicino, sullo stesso cromosoma, geni presenti più a valle o più a monte.

Gli RNA non codificanti o ncRNA (non-coding RNA) sono una categoria molto speciale di RNA che fino a poco tempo fa veniva considerata come spazzatura o meglio come sottoprodotto non rilevante della trascrizione perché non portava alla traduzione in proteine. Adesso si è scoperto che questi ncRNA sono importanti proprio in relazione alla funzione regolatoria degli enhancer.

Un anno fa ho inaugurato il mio laboratorio per occuparmi di tutti questi meccanismi di regolazione della trascrizione dei geni e, in particolare, il nostro obiettivo è studiare con un approccio genomico i complessi proteici che agiscono sulla cromatina.

Cosa intendi per approccio genomico?
Adesso vuol dire andare ad analizzare i geni nella loro totalità e quindi avere a che fare con un con un carico pazzesco di dati di cui spesso non sappiamo subito cosa fare. È un approccio che mi piace molto perché, a differenza della genomica classica, un esperimento genomewide fatto bene non va a vedere solo un piccolo angolo di interesse o la regolazione di unico gene ma guarda tutto e fornisce una quantità virtualmente infinita di informazioni. Se anche in un primo momento sembrano dati difficili da interpretare, tra una settimana o un mese ci si può ricavare qualcosa di veramente straordinario.

Che tecniche genomiche usi per studiare la trascrizione?
Principalmente di due tipi: RNA-Seq e GRO-Seq (Genomic Run-On Sequencing) per guardare all’RNA e ChIP-Seq (Chromatin ImmunoPrecipitation Sequencing) per analizzare l’interazione tra DNA e complessi proteici.

L’RNA-Seq consiste nel sequenziare tutto l’RNA di una determinata cellula o tessuto in un certo momento. Nello specifico, però, noi non ci occupiamo di tutto il trascritto di una cellula ma dei ncRNA che, dopo essere stati prodotti, non vengono esportati nel citoplasma ma rimangono per un certo periodo di tempo all’interno del nucleo. Una volta isolate, queste molecole vengono inviate a sequenziatori di seconda generazione, noti come NGS (Next Generation Sequencing), in grado di analizzare e misurare con una tecnologia ottica fino a 400-500 milioni di sequenze in una sola corsa di sequenziamento. A fine analisi si ottiene un gigantesco file con le sequenze di base dei frammenti di RNA originariamente estratti dalle cellule e una rappresentazione estremamente ampia e buona di tutto quello che viene trascritto in una cellula.

Il GRO-Seq è praticamente la stessa cosa ma più raffinata perché si analizza l’RNA trascritto in un certo preciso momento, eliminando tutto quello che era già presente nella cellula. È una tecnica più difficile, non di routine, che permette di vedere l’atto della trascrizione in sé nel momento in cui si compie e quindi di capire il cuore dei meccanismi trascrizionali.

E per quanto riguarda il ChIP-Seq?
Si tratta di un particolare tipo di immunoprecipitazione in cui si cerca di isolare una proteina di interesse non tanto per identificare eventuali interattori proteici quanto per studiare la regione di DNA cui tale proteina si è legata. In pratica si parte da proteine o complessi proteici per estrarre un piccolo frammento di cromatina, un gene o una porzione regolatoria.

La ChIp è una tecnica molto usata sin dalla sua messa a punto ma con l’avvento della genomica si è trasformata: nata per studiare un singolo gene o uno specifico punto che già si sospettava essere legato da una certa proteina, ora permette di avere una visione d’insieme di tutto il DNA e di capire come, quando, dove e perché la macchina della trascrizione si mette in moto.

Nel mio gruppo combiniamo queste tre tecniche di sequenziamento per studiare dove si legano i complessi di regolazione trascrizionale e per capire il loro effetto a livello dell’RNA.

A che conclusioni siete giunti?
Circa 10 anni fa è stato scoperto un complesso macromolecolare chiamato Integrator, coinvolto nella trascrizione genica con funzioni rimaste a lungo oscure. Applicando diversi approcci genomici, sono riuscito a capire dove questo complesso si localizza sulla cromatina e quali sono i geni e le regioni bersaglio. Grazie a ulteriori esperimenti, un po’ più raffinati e complicati, sono riuscito a caratterizzare le funzioni del complesso e a scoprire che, all’interno del nucleo, Integrator si occupa di 2 cose. Innanzitutto interagisce e regola la processività dell’enzima RNA polimerasi II e poi si lega a porzioni nel genoma diverse dai geni. Dai nostri studi è emerso che si tratta di regioni enhancer e che la funzione di Integrator è quella di aiutare la trascrizione dei famosi ncRNA.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
Scoprire un complesso nuovo o una funzione completamente nuova di un complesso dà opportunità uniche, come quella di studiare o cercare inibitori farmacologici in diversi contesti.

Una grossa parte del lavoro che sto facendo adesso in laboratorio ruota attorno al concetto di enhancer, che sappiamo essere a monte di tutti i più importanti cambiamenti trascrizionali nella cellula. La mia idea è di riuscire a caratterizzarli meglio dato che si sa ancora molto poco sul meccanismo con cui l’RNA trascritto dagli enhancer regola i geni bersaglio o su quali e quanti di questi ncRNA sono coinvolti nei processi di differenziamento e di sviluppo. In particolare, stiamo andando a caccia di elementi coinvolti nell’emopoiesi e nel differenziamento delle cellule staminali in eritroblasti, monociti, linfociti.
Capire il funzionamento di enhancer e ncRNA significa capire le radici dell’emopoiesi stessa e magari identificare quella manciata di elementi regolatori che, una volta attivati, determinano l’attivazione a cascata di centinaia e migliaia di geni indispensabili al differenziamento delle cellule del sangue.

Leggi anche: RNA non codificanti: da spazzatura a bersaglio terapeutico

Pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia.

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