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Alterazioni della cromatina nella tumori genesi

Direttore

Saverio Minucci

Attività

Nelle cellule tumorali si osserva un cambiamento globale della struttura della cromatina (metilazione del DNA e modificazioni post-traslazionali degli istoni), che porta ad alterazioni stabili dell’espressione genica e potenzialmente di altre funzioni nucleari (come la replicazione del DNA e la sua riparazione). Al contrario delle lesioni genetiche, queste alterazioni sono reversibili, dal momento che la “sottostante” sequenza di DNA non è cambiata: questa differenza fondamentale tra lesioni genetiche e lesioni epigenetiche rende l’epigenoma molto più sensibile allo sviluppo di strategie terapeutiche. Infatti, molecole di piccole dimensioni con la capacità di interferire con gli enzimi che modificano la cromatina hanno dimostrato attività antitumorale. Il concetto di terapia epigenetica è stato validato clinicamente con l’approvazione da parte delle autorità regolatorie di alcuni (pochi) farmaci da usarsi contro alcune specifiche forme di tumore. Dal nostro punto di vista tuttavia i farmaci che interferiscono con gli enzimi epigenetici (come DNA metiltransferasi e istone deacetilasi, i due target più avanzati nell’arena epigenetica) sono stati usati nella maggioranza dei casi in modo aspecifico, senza tener conto del contesto delle alterazioni cromatiniche in atto nelle cellule cancerose. Noi supponiamo quindi che uno dei principali obiettivi della ricerca di base e della ricerca applicata in quest’area debba essere l’individuazione di un set di alterazioni epigenetiche nella cellula che determinino la sensibilità o la resistenza ai farmaci epigenetici.

  • Progetti di ricerca

    Di conseguenza abbiamo focalizzato le nostre attività sullo studio della deregolazione della struttura e della funzione della cromatina nel cancro, con lo scopo di:

    • Identificare sistematicamente le alterazioni epigenetiche nelle cellule tumorali;
    • sfruttare questa conoscenza per ottimizzare terapie epigenetiche verso un approccio più mirato.

    Per raggiungere questi obiettivi, abbiamo adottato una combinazione di strategie sperimentali:

    • Analisi meccanicistica delle alterazioni della cromatina in cancro. Abbiamo sviluppato nuove tecnologie per lo studio delle alterazioni epigenetiche in pazienti con patologie tumorali in modo da ridurre la quantità di materiale necessario, e per poter utilizzare campioni patologici conservati in paraffina: NASeq e PAT-ChIP. Grazie a questi nuovi approcci stiamo studiando la leucemia mieloide acuta e il tumore al seno (per i quali sono parzialmente disponibili approfondimenti meccanicistici su come avvenga la deregolazione epigenetica) come paradigma dell’epigenoma tumorale.
    • Dissezione funzionale del ruolo dei modificatori della cromatina nella leuchemogenesi. In paralleo, stiamo intraprendendo la dissezione sistematica del ruolo di specifici modificatori della cromatina in modelli murini di tumori genesi per la leucemia mieloide acuta. Utilizzando tecniche di inattivazione e inattivazione condizionale stiamo studiando il ruolo delle istone deacetilasi, dei gruppi genici Polycomb, delle istone demetilasi, sia negli stati tumorali iniziali sia nel mantenimento del tumore.
    • Terapia epigenetica del cancro. Nello stesso modello di malattia, stiamo studiando gli effetti meccanicistici di farmaci epigenetici (inibitori delle istone deacetilasi e delle demetilasi, agenti demetilanti il DNA). In particolare abbiamo sviluppato un nuovo saggio per lo studio del contributo delle differenti sottopopolazioni di cellule tumorali alla crescita del tumore, focalizzandoci sul ruolo delle cellule staminali della leucemia.
    • Ottimizzazione di terapie antitumorali. Il know-how e i risultati raggiunti attraverso le esperienze qui sopra descritte sono indirizzati alla messa a punto di un’utilizzazione dell’epigenoma e della sua manipolazione per l’ottimizzazione di terapie antitumorali. Con questo obiettivo: 
      • - utilizziamo lieviti come sistema modello (in collaborazione con M. Foiani, Progetto “TYM”) per studiare sistematicamente le interazioni letali tra farmaci anticancro e farmaci epigenetici, per poi validare i risultati in mammiferi;  
        - identifichiamo sistematicamente gli interattori cellulari per i farmaci antitumorali ed epigenetici per attraverso tecniche di chimica proteomica quantitativa (in collaborazione con T. Bonaldi);  
        - in collaborazione con il Drug Discovery Program (TIV) effettuiamo screening in vivo per identificare e validare target epigenetici in leucemia (in collaborazione con PG Pelicci) e analizziamo gli effetti di nuovi farmaci epigenetici sviluppati contro le proteine associate alla cromatina.

    Così, c’è una possibilità decisamente affascinante di effettuare una analisi meccanicistica (per comprendere “come” succedono le cose) che possa essere immediatamente applicata a un migliore trattamento dei pazienti (per provare a modificare le cose che non hanno funzionato). Lo scopo ultimo è di andare verso la definizione dell’Uomo come principale sistema modello.

    Metodi
    Una parte sostanziale dell’attività del laboratorio consiste nello sviluppo di nuove tecnologie e di nuovi saggi per lo studio delle alterazioni epigenetiche nei tumori.
    I principali metodi sviluppati negli ultimi 10 anni si possono riassumere come segue:
    Immunoprecipitazione della cromatina e sequenziamento high-throughput da tessuti patologici conservati in paraffina (1-2)
    NA-Seq (combinazione di enzimi di restrizione e sequenziamento di nuova generazione) per una analisi genomica a larga scala della accessibilità cromatinica (3)
    Rilevamento dei livelli di acetiliazione degli istoni attraverso citometria di flusso (4)
    Inattivazione di proteine con funzioni connesse alla regolazione dello stato della cromatina attraverso oligomerizzzazione (5)

     

    1. FANELLI M, AMATORI S, BAROZZI I, MINUCCI S (2011). Chromatin immunoprecipitation and high-throughput sequencing from paraffin-embedded pathology tissue. NATURE PROTOCOLS, vol. 6, p. 1905-1919, ISSN: 1754-2189, doi: 10.1038/nprot.2011.406.
    2. FANELLI M, AMATORI S, BAROZZI I, SONCINI M, DAL ZUFFO R, BUCCI G, CAPRA M, QUARTO M, DELLINO GI, MERCURIO C, ALCALAY M, VIALE G, PELICCI PG, MINUCCI S (2010). Pathology tissue-chromatin immunoprecipitation, coupled with high-throughput sequencing, allows the epigenetic profiling of patient samples. PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA, vol. 107, p. 21535-21540, ISSN: 0027-8424, doi: 10.1073/pnas.1007647107
    3. GARGIULO G, LEVY S, BUCCI G, ROMANENGHI M, FORNASARI L, BEESON KY, GOLDBERG SM, CESARONI M, BALLARINI M, SANTORO F, BEZMAN N, FRIGÈ G, GREGORY PD, HOLMES MC, STRAUSBERG RL, PELICCI PG, URNOV FD, MINUCCI S (2009). NA-Seq: a discovery tool for the analysis of chromatin structure and dynamics during differentiation. DEVELOPMENTAL CELL, vol. 16, p. 466-481, ISSN: 1534-5807, doi: 10.1016/j.devcel.2009.02.002
    4. RONZONI S., BALLARINI M., FARETTA M., PELICCI P.G., MINUCCI S (2005). New Method to Detect Histone Acetylation Levels by Flow Cytometry. CYTOMETRY. PART A, vol. 66, p. 52-61, ISSN: 1552-4922. DOI: 10.1002/cyto.a.20151
    5. CONTEGNO F, CIOCE M, PELICCI PG, MINUCCI S (2002). Targeting protein inactivation through an oligomerization chain reaction. PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA, vol. 99, p. 1865-1869, ISSN: 0027-8424. doi:10.1073/pnas.042460299

     

  • Pubblicazioni

    • THALER F, VARASI M, ABATE A, CARENZI G, COLOMBO A, BIGOGNO C, BOGGIO R, DAL ZUFFO R, RAPETTI D, RESCONI A, REGALIA N, VULTAGGIO S, DONDIO G, GAGLIARDI S, MINUCCI S, MERCURIO C (2013). Synthesis and biological characterization of spiro[2H-(1,3)-benzoxazine-2,4'-piperidine] based histone deacetylase inhibitors. European journal of medicinal chemistry 04/2013; 64C:273-284.
    • SANTORO F, BOTRUGNO OA, DAL ZUFFO R, PALLAVICINI I, MATTHEWS GM, CLUSE L, BAROZZI I, SENESE S, FORNASARI L, MORETTI S, ALTUCCI S, PELICCI PG, CHIOCCA S, JOHNSTONE RW, MINUCCI S (2013). A dual role for Hdac1: oncosuppressor in tumorigenesis, oncogene in tumor maintenance. Blood, 121 (17): 3459-68. doi:10.1182/blood-2012-10-461988
    • SONCINI M, SANTORO F, GUTIERREZ A, FRIGÈ G, ROMANENGHI M, BOTRUGNO OA, PALLAVICINI I, PELICCI P, DI CROCE L, MINUCCI S (2013). The DNA demethylating agent decitabine activates the TRAIL pathway and induces apoptosis in acute myeloid leukemia. BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA, 1832 (1): 114-20. ISSN: 0006-3002
    • KLIONSKY DJ et al. (2012). Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy.Autophagy, 8: 4, 445-544, April 2012.
    • SAEED S, LOGIE C, FRANCOIJS KJ, FRIGÈ G, ROMANENGHI M, NIELSEN FG, RAATS L, SHAHHOSEINI M, HUYNEN M, ALTUCCI L, MINUCCI S, MARTENS JH, STUNNENBERG HG (2012). Chromatin accessibility, p300 and histone acetylation define PML-RARa and AML1-ETO binding sites in acute myeloid leukemia. BLOOD, vol. 120, p. 3058-3068, ISSN: 0006-4971

     

    All publications

  • Funding

    Saverio Minucci è stato responsabile di Unità, Partner, Principal Investigator o Coordinatore in più di 20 progetti Peer-reviewd, inclusi progetti nell’ambito dei programmi comunitari Framework 6 e Framework 7 (Epitron, Blueprint, 4D), PRIN, FIRB, CNR (Progetto Bandiera Epigenetica), AIRC (progetti Investigator e 5x1000), Fondazione Cariplo e Ministero della Sanità.

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