- Creazione di modelli di malattia mediante riprogrammazione cellulare.
Uno dei risultati più tangibili della riprogrammazione delle cellule somatiche è stato il cambio di paradigma nella nostra capacità di creare modelli di malattie umane, le cui principali limitazioni finora sono state: i) la scarsa disponibilità di tessuti primari affetti dalla patologia in questione, specie nel caso dei disordini del sistema nervoso, e ii) la difficoltà nel ricostruire la storia della malattia, particolarmente rilevante nella patogenesi tumorale.
Ci avvaliamo quindi dell’opportunità senza precedenti della riprogrammazione cellulare per sviluppare modelli fisiopatologicamente rilevanti sia del cancro che di disordini dello sviluppo del sistema nervoso, con l’obiettivo di distinguere nella loro patogenesi le componenti genomiche da quelle epigenomiche.
In particolare, nell’ambito del cancro ci focalizziamo sul carcinoma ovarico, un tipo di tumore nel quale i progressi terapeutici sono stati purtroppo molto limitati anche a causa della mancanza di modelli cellulari che rispecchino le reali caratteristiche delle neoplasie di partenza e che permettano di comprendere le alterazioni di sviluppo alla base della loro patogenesi. Nell’ambito dei disordini dello sviluppo neurale invece ci concentriamo su un insieme particolarmente rilevante di sindromi caratterizzate da disabilità intellettiva e/o da disordini dello spettro autistico, che sono causate da mutazioni o alterazioni del dosaggio di regolatori epigenetici e fattori di trascrizione (Adamo, Atashpaz, Germain et al. Nature Genetics 2014).
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Regolazione epigenetica del destino neuronale.Le metilazioni dell’istone H3 sulle lisine 4 e 27 (H3K4me e H3K27me), mediate rispettivamente dalle famiglie di proteine Trithorax (Trx) e Polycomb (PcG), svolgono un ruolo regolatorio fondamentale durante il differenziamento cellulare e il mantenimento dell’identità cellulare differenziata. In particolare, il sistema nervoso centrale è diventato il modello di riferimento per definire la rilevanza funzionale di H3K27me nelle transizioni tra diversi stati di differenziamento, grazie alla comprensione della dinamicità nella regolazione di questo marcatore durante il differenziamento neuronale, data dall’avvicendarsi di metiltrasferasi e demetilasi. In seguito all’identificazione di JMJD3 come primo enzima che antagonizza il silenziamento mediato da Polycomb tramite la demetilazione di H3K27 (De Santa et al. Cell 2007), i nostri contributi più importanti includono la caratterizzazione del suo ruolo essenziale nelle prime fasi dello sviluppo neurale embrionale (Burgold et al. PLoS One, 2008) e la scoperta che le aberrazioni nella metilazione di H3K27 causate dalla perdita di JMJD3 nei precursori neuronali ha un impatto anche sulla maturazione e sul funzionamento dei circuiti neuronali (Burgold et al. Cell Reports, 2012). Utilizziamo attualmente un approccio basato sulla modulazione di questo gene in stadi specifici dello sviluppo neuronale, per studiare il ruolo di H3K27me e H3K4me nell’espansione delle cellule staminali neurali e nell’acquisizione sequenziale del destino neuronale durante la corticogenesi murina (Testa Bioessays 2011).
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Programmazione aberrante del genoma nei tumori cerebrali. Coerentemente con quanto riportato sul ruolo di Polycomb nel regolare il differenziamento, le alterazioni in H3K27me hanno un ruolo di primo piano anche tra le aberrazioni epigenetiche che caratterizzano i tumori . Nello specifico, questa linea id ricerca affronta la controparte oncogenica dell’acquisizione del destino neuronale, in particolare nei gliomi maligni, allo scopo di delucidare le basi epigenetiche delle aberrazioni di differenziamento che caratterizzano questa patologia. In particolare studiamo come la perdita della regolazione fisiologica incentrata su H3K27me3 sia importante per l’inizio e/o per il mantenimento dei gliomi, combinando la modulazione condizionale di questo asse epigenetico in modelli murini di glioblastoma con la dissezione funzionale in cellule primarie isolate a partire da gliomi umani ad alto grado sia primari sia ricorrenti.
- Epigenetica della riprogrammazione del destino cellulare
Coerentemente con il ruolo svolto dalle famiglie Trithorax e Polycomb nel regolare le transizioni tra tipi cellulari diversi, è stato dimostrato che la riprogrammazione dell’ identità cellulare indotta da fattori di trascrizione è accompagnata da numerosi cambiamenti nella metilazione di H3K4 e H3K27. Il nostro obiettivo è di studiare funzionalmente il loro contributo nella riassegnazione dell’identità cellulare, usando i paradigmi sperimentali sia della pluripotenza indotta – in cui i fibroblasti sono riprogrammati a cellule staminali pluripotenti indotte (induced pluripotent stem cells, iPSCs) – sia del transdifferenziamento neuronale diretto, in cui i fibroblasti sono riprogrammati a cellule neuronali indotte (induced neuronal cells, iNCs). Il nostro recente contributo in questo campo è stata la scoperta che, durante la generazione di iPSCs, la trimetilazione di H3K27 è funzionalmente rilevante su un insieme altamente selezionato di geni regolati da Polycomb, consentendoci così di definire la l’importanza diquesto sottogruppo di geni in altri paradigmi fisiopatologici di riprogrammazione cellulare, compreso il cancro (Fragola et al. PLoS Genetics 2013)