Sindrome di Down: scoperta nuova tecnica per tacere il cromosoma 21

Gli scienziati del Massachusetts Medical School sono i primi a stabilire che un cromosoma X presente in natura “switch off” può essere reindirizzato a neutralizzare il cromosoma responsabile della trisomia 21, nota anche come sindrome di Down, una malattia genetica.

La scoperta fornisce la prima evidenza che il difetto genetico responsabile della sindrome di Down, può essere soppresso in cellule in coltura ( in vitro). Questo spiana la strada ai ricercatori, nello studio di  patologie cellulari e li aiuta ad identificare percorsi del genoma implicati nel disturbo, un obiettivo che si è finora dimostrato sfuggente. In questo modo gli scienziati potranno migliorare la comprensione della biologia di base sottostante la sindrome di Down e un giorno si potranno stabilire i potenziali bersagli terapeutici per terapie future. I dettagli dello studio da Jiang  sono stati pubblicati online in Natura .

“L’ultimo decennio ha visto grandi progressi negli sforzi per correggere malattie monogeniche, a cominciare da sperimentazioni su cellule in vitro e in diversi casi avanzati,  in vivo e studi clinici “, ha detto l’autore Jeanne B. Lawrence, professore di biologia. “Al contrario, la correzione genetica di centinaia di geni in un intero cromosoma in più è rimasto al di fuori del regno delle  nostre possibilità. La nostra speranza è che per le persone che vivono con la sindrome di Down, questo proof-of-principle apra entusiasmanti nuove strade per lo studio della patologia  e porti nel regno della ricerca ,considerazione sul concetto di ”cromosoma  terapia ‘ in futuro “.

Gli esseri umani nascono  con 23 coppie di cromosomi, tra cui due cromosomi sessuali, per un totale di 46 in ogni cellula. Le persone con sindrome di Down sono nate con tre (invece di due) copie del cromosoma 21, e questa “trisomia 21” provoca disabilità cognitiva, l’ insorgenza precoce di Alzheimer e un maggior rischio di leucemia infantile, difetti cardiaci e del sistema immunitario e la disfunzione del sistema endocrino. A differenza di malattie genetiche causate da un singolo gene, la correzione genetica di un intero cromosoma in cellule trisomiche, è stata considerata  al di là del regno delle possibilità, anche in cellule in coltura.

Sfruttando la potenza del gene RNA chiamato XIST, che normalmente è responsabile per lo spegnimento di uno dei due cromosomi X che si trovano in mammiferi di sesso femminile, gli scienziati della UMMS  hanno dimostrato che la copia extra del cromosoma 21, responsabile della sindrome di Down, può essere tacitata in laboratorio con cellule staminali paziente-derivate.

La funzione naturale del gene XIST, situato sul cromosoma X, è di mettere a tacere in modo efficace uno dei due cromosomi X nelle cellule femminili, rendendo l’espressione dei geni X-linked simile a quella degli uomini, che hanno un solo cromosoma X. Il grande XIST RNA viene prodotto precocemente nello sviluppo di uno dei due cromosomi X della femmina, e questo RNA unico, poi “dipinge” il cromosoma X e modifica la sua struttura in modo che il suo DNA non può essere espresso per produrre proteine ​​e altri componenti. Questo rende efficacemente inattivi la  maggior parte dei geni del cromosoma.

Lawrence e la collega Lisa Hall, professore assistente di ricerca di biologia cellulare, è stato  motivato dall’idea che questo effetto potrebbe essere replicato in un cromosoma 21 in cellule trisomiche. Giugno Jiang,  docente di biologia cellulare, ha lavorato con Lawrence per iniziare un progetto di ricerca per inserire il gene XIST in un cromosoma 21. Per fare questo, i ricercatori hanno lavorato con  cellule staminali pluripotenti indotte, derivate da cellule di fibroblasti donati da un paziente con sindrome di Down, poichè le cellule staminali hanno la particolare capacità di formare diversi tipi di cellule del corpo. Il loro lavoro ha mostrato che il gene di grandi dimensioni XIST potrebbe essere inserito in una posizione specificata del cromosoma, usando zinco finger nucleasi (ZFN), una tecnologia  fornita da collaboratori di  Sangamo BioSciences, Inc., una società di biotecnologie con sede a Richmond, in California.  Inoltre, l’ RNA dal gene XIST, inserito nel cromosoma in più, ha efficacemente represso i geni, tornando a livelli di espressione genica  quasi normali ed efficacemente mettendo a tacere il cromosoma.

Questa scoperta apre agli scienziati, nuove strade per studiare la sindrome di Down in modi non possibili in precedenza. Determinare le patologie cellulari sottostanti e percorsi gene responsabili della sindrome, si è  precedentemente dimostrato difficile a causa della complessità del disturbo e della normale variazione genetica ed epigenetica tra le persone. Per esempio, alcuni studi precedenti hanno suggerito che la proliferazione delle cellule nei pazienti con sindrome di Down, può essere compromessa, ma le differenze tra le persone e le linee cellulari hanno reso difficile concludere definitivamente questo approccio. Controllando l’espressione del gene XIST, Lawrence e colleghi sono stati in grado di confrontare le culture altrimenti identiche alle cellule della sindrome di Down, con e senza l’espressione del cromosoma in più. Ciò che hanno notato è che le cellule della sindrome di Down hanno difetti nella proliferazione cellulare e nella differenziazione delle cellule neurali, tuttavia, i  due processi sono stati invertiti mettendo a tacere il cromosoma 21 con XIST.

“Il risultato dello studio  mette in evidenza le potenzialità di questo nuovo modello sperimentale per lo studio di una serie di diverse malattie, in differenti tipi di cellule umane e in modelli murini della sindrome di Down”, ha spiegato Lawrence. “Ora abbiamo un potente strumento per identificare e studiare le patologie cellulari e l’ impattato causato dalla  sovra-espressione del cromosoma 21.”

“Il dottor Lawrence ha sfruttato la potenza di un processo naturale di indirizzare l’espressione del gene anormale nelle cellule che hanno un numero di cromosomi aberranti”, ha detto Anthony Carter, del National Institutes , che in parte ha sostenuto lo studio. “Il suo lavoro fornisce un nuovo strumento che potrebbe produrre nuove intuizioni su come i geni vengono silenziati a livello cromosomico e nei processi patologici connessi con anomalie cromosomiche come la sindrome di Down.”

Nuove scoperte effettuate utilizzando questo metodo un giorno potrebbero individuare nuove terapie per le malattie cromosomiche come la sindrome di Down.

“Nel breve termine, la correzione delle cellule in cultura della sindrome di Down, accelera lo studio della patologia cellulare e la ricerca traslazionale in terapeutica e a lungo termine, il potenziale di sviluppo di” cromosoma terapie”, utilizzando strategie epigenetiche per  regolare i cromosomi. Dal momento che le strategie terapeutiche per le aberrazioni cromosomiche più comuni, come la sindrome di Down hanno ricevuto troppo poca attenzione per troppo tempo, per il bene di milioni di pazienti e delle loro famiglie in tutto il mondo, dobbiamo continuare a sperimentare su questa strada “, ha concluso Lawrence.

Lawrence e colleghi potranno ora utilizzare questa tecnologia per verificare se la cromosoma terapia può correggere le patologie osservate in modelli murini della sindrome di Down.

Fonte Natura 2013; DOI: 10.1038/nature12394