Sono trascorsi ormai 15 anni da quando gli scienziati hanno celebrato il completamento del genoma umano. A quel punto, gli scienziati hanno determinato l’intera sequenza delle lettere genetiche che compongono il nostro DNA. È ormai noto che questo era solo un primo passo di un lungo cammino: oltre alle lettere chimiche, l’informazione viene codificata anche nel modo in cui il DNA è confezionato all’interno del nucleo cellulare. Un gruppo di ricerca, guidato da Ana Pombo del Centro Max Delbrück di Berlino-Buch, in collaborazione con i colleghi internazionali provenienti da Italia, Canada e Gran Bretagna, ora ha generato mappe 3D complete dell’organizzazione spaziale del genoma del topo, da cellule staminali embrionali a neuroni completamente sviluppati. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Molecular Systems Biology. In futuro queste mappe potrebbero aiutare a rintracciare i geni che sono coinvolti nelle malattie ereditarie.
(A) Schema di cellule staminali embrionali di topo (ESC), cellule neuronali progenitrici (NPC) e neuroni differenziati.
Diverse cellule del nostro corpo trasportano le stesse informazioni genetiche, scritte nella sequenza delle lettere genetiche del nostro DNA. Come la disposizione dei geni sul lungo filo del DNA è controllata, è stata oggetto di molti anni di ricerca: quali geni sono utilizzati in una cellula determina che si sviluppa per esempio nella pelle o in una cellula del cuore o nervosa o come errori nella regolazione genica possono portare a malattie.
È ormai chiaro che il testo genetica lineare da solo non è sufficiente per capire il genoma. “L’organizzazione tridimensionale del DNA è anche molto importante”, dice Ana Pombo, capo del gruppo di ricerca epigenetica. Nei topi, il filo del genoma è diviso in 20 coppie di cromosomi, che sono a loro volta serrati nel nucleo della cellula in modo non casuale. “La piegatura spaziala complessa del DNA dei cromosomi, controlla l’attività dei geni,” spiega lo scienziato.
Negli ultimi dieci anni sono stati fatti notevoli progressi nel determinare l’architettura tridimensionale dei cromosomi. E’ ormai noto che sono divisi in domini “topologici”, cioè in sezioni di DNA che vengono a contatto diretto più spesso rispetto ai loro vicini genomici. “Fino ad ora la struttura spaziale è stata studiata “ in ed intorno a questi settori “”, afferma Markus Schüler, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Ana Pombo al MDC e uno dei primi autori dello studio. “Tuttavia, ci mancava un quadro completo di come questi domini interagiscono tra loro e se tali interazioni sono legate alla funzione del gene“.
Questa è proprio la questione affrontata nello studio dai ricercatori MDC che hanno concentrato la loro attenzione dettagliata su come l’intero DNA è piegato nei cromosomi e quali regioni preferenzialmente sono in contatto tra di loro. Come modello,i ricercatori hanno studiato lo sviluppo dei neuroni di topo da cellule staminali embrionali di una cellula progenitrice e neuroni differenziati. Per questi tre tipi di cellule, i ricercatori hanno analizzato le mappe di interazione, chiamate Hi-C: i dati mostrano le regioni che si toccano all’interno di ogni cromosoma.
Usando questa strategia, i ricercatori sono stati in grado di mettere insieme una matrice di contatti per ogni cromosoma in tutti e tre i tipi di cellule. I loro risultati hanno mostrato che i domini cromosomici sono raggruppati in grandi meta-domini. La piegatura di questi meta-domini non è casuale (il punto cruciale). “Varie regioni su un cromosoma stanno insieme perché hanno qualcosa in comune”, dice Pombo. “Le regioni con analoghe proprietà funzionali sono in contatto tra loro, ad esempio i geni che sono attivi o che sono regolati con lo stesso meccanismo”.
Per illustrare questo, Pombo ha utilizzato un thread per rappresentare la stringa del DNA che forma più circuiti in modo che il filo incontra ripetutamente alla base i cicli. “Qui è dove si incontrano regioni che hanno qualcosa in comune”, spiega il ricercatore. La disposizione loop illustra una scoperta molto importante: fornisce un mezzo attraverso il quale le regioni che sono distanziate una dall’altra sul DNA lineare possano entrare in contatto tra loro.”Per la prima volta siamo stati in grado di determinare specifici, contatti a lungo raggio tra domini in tutti i cromosomi“, dice Pombo.
I ricercatori hanno rappresentato questa interazione come una gerarchia ad albero di domini che mostra quale regione è in contatto con altre. Quando i ricercatori hanno confrontato i diagrammi ad albero delle cellule staminali embrionali, progenitori neuronali e neuroni hanno visto che durante il differenziamento, molti dei contatti a lungo raggio restano sul posto. Tuttavia, altre regioni formano nuovi contatti, di nuovo sulla base di caratteristiche comuni. “I cambiamenti nell’ attività dei geni sono correlati con cambiamenti nell’organizzazione dello spazio”, dice Schüler.
Gli scienziati ritengono che in futuro, questa mappa di contatti potrebbero essere utilizzata per aiutare a trovare le cause delle malattie genetiche.
Da un lato, potrebbe essere utilizzata per localizzare riarrangiamenti che svolgono un ruolo in condizioni come il cancro. D’altra parte, potrebbe essere utilizzata per identificare i geni che sono responsabili di malattie congenite. Tuttavia, per molte di queste varianti genetiche, il mezzo con cui essi causano la malattia particolare è ancora poco chiaro. La causa potrebbero, ad esempio, essere individuata nella modifica delle interazioni del gene invece che nei geni stessi.
“Le nostre mappe aumentano il pool di obiettivi sul DNA che potrebbero essere influenzati da una singola mutazione”, dice Pombo.
I risultati del gruppo permettono di individuare altre regioni sul DNA con cui una particolare variante del gene è in contatto. I ricercatori di Berlino ora vogliono indagare tali relazioni nei disturbi neurologici come l’autismo e nelle malattie dello scheletro.
