Dai “buchi neri” genomici un aiuto per comprendere le malattie neurodegenerative

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Nel corso dei secoli l’uomo è stato frequentemente tormentato da varie domande esistenziali e, tra queste, una di rilievo è : “Cosa ci permette di essere ciò che siamo?”.

Una risposta, in senso lato, può essere trovata nel genoma che, grazie al contributo del Progetto Genoma Umano (HGP), è stato completamente sequenziato nel 2003 e ha permesso di identificare e mappare – sia topograficamente che funzionalmente – i geni presenti nello stesso.

Tra le innumerevoli scoperte cui questo progetto ha portato – eccessive per essere trattate nella loro completezza – alcune hanno però lasciato perplessi gli addetti ai lavori : soltanto 1,5Mb – una fetta irrisoria del totale di 3200Mb in toto – di genoma è costituito da DNA codificante e che quindi, effettivamente, “traduce qualcosa”.

Ma allora, cosa ne è della restante parte di DNA?

In un articolo pubblicato il 18 Gennaio sulla rivista Cell e condotto da Diane E. Dicker, si è cercato di gettare nuova luce sulle possibili funzioni di alcune regioni di DNA non codificante – che quindi rappresenta la maggioranza – con risultati apparentemente sorprendenti.

Buchi neri nel DNA

Le regioni di DNA oggetto di studio sono regioni definite “altamente conservate“ poiché, benché apparentemente la loro funzione codificante fosse nulla, queste vengono comunque trasmesse in maniera pressoché fedele in una quota consistente di specie animali ( tra le tante, anche nel topo che è stato oggetto di studio) .

Di generazione in generazione infatti, esiste un tasso costante di mutazione del DNA – la selezione naturale e l’adattamento ne sono un esempio – che interessa geni in misura casuale ma tende comunque a risparmiare quei geni che vengono considerati “necessari” alla vita dell’organismo considerato .
Seguendo questo ragionamento allora, tali sequenze conservate dovrebbero essere di fondamentale importanza .

In uno studio del 2007 si è quindi voluto testare quanto detto sopra: nel genoma murino, alcune sequenze conservate, sono state intenzionalmente mutate o delete da parte dei ricercatori ma, a dispetto di quanto detto fino ad ora, questo ha sortito ben pochi effetti sui topi che si sono tranquillamente sviluppati e riprodotti.

Il ruolo di queste sequenze quindi, appariva controverso.

Lo studio

Il team di Dicker si è quindi approcciato al problema con un metodo diverso ma allo stesso tempo innovativo.
Innanzitutto, è stata selezionata una regione di 800Kb locata sul cromosoma X, nella quale sono presenti 8 sequenze altamente conservate site in prossimità di geni codificanti per importanti fattori di trascrizione dell’embriogenesi neuronale (fattore neuronale Arx).
Inoltre, da studi condotti dallo stesso gruppo di ricerca, si è visto che di queste 8 sequenze almeno 5 hanno una funzione di enhancer per fattori di sviluppo telencefalico, con un pattern assolutamente non dissimile da quello di Arx : è pertanto probabile che alcune di queste sequenze conservate fungano da enhancer di Arx.
Con queste premesse, tale locus era ideale per tentare di accertare il ruolo che queste regioni hanno nello sviluppo encefalico.
Allo scopo di rimuovere tali sequenze, sia singolarmente che in combinazione, è stato utilizzato il metodo di editing genico CRISPR-Cas9, un’endonucleasi batterica osservata in ceppi di S. Pyogenes.
Con grande stupore, ancora una volta i topi knockout apparivano sani e fertili, a differenza di quelli knockout per il fattore Arx – e non per le sequenze conservate – che dimostrarono invece mortalità del 100% al secondo giorno e alterazioni dello sviluppo encefalico.

A quel punto era soltanto necessario cambiare il “punto d’osservazione”: infatti, lo studio istologico che seguì la dissezione encefalica rivelò importanti anomalie di sviluppo, riportate come segue:

  1. Se venivano delete delle sequenze conservate con funzione di enhancer per il telencefalo ventrale, questo si traduceva in una severa riduzione degli interneuroni GABAergici corticali e dei neuroni colinergici dello striato.
  2. Invece, se la delezione interessava sequenze enhancer per il telencefalo dorsale, questo si traduceva in anomalie dei neuroni ippocampali.

A destare maggiore stupore è l’osservazione che la maggior parte di queste alterazioni sono giacché comuni in numerose patologie, tra le quali la demenza di Alzheimer e l’epilessia e questo è evidente proprio nella morfologia dell’ippocampo che, nei topi knockout, appare fortemente alterata rispetto al normale.

 

Comunque, anche se queste mutazioni abbiano una discreta possibilità di verificarsi in natura, in genere i topi affetti tenderebbero a non trasmetterle alla prole a causa di una minore chance riproduttiva rispetto ai topi wild-type.

Purtroppo, questa scoperta rappresenta soltanto una piccola goccia di conoscenza nel mare magnum delle regioni di DNA non codificante che hanno da sempre affascinato il mondo della ricerca genetica ma delle quali si conosce, allo stato, ancora ben poco.
Gli autori dello studio si dicono, comunque, fiduciosi di poter ritrovare all’interno di queste sequenze – solo in apparenza costituite da “DNA spazzatura” – la chiave per la comprensione di malattie neurodegenerative come l’Alzheimer, non solo nei modelli animali ma anche e soprattutto, nell’uomo.
Il mistero è tutt’altro che risolto.

Fonti:

  1. Dickel, D. E. et al.Cell http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2017.12.017 (2018).
  2. https://www.genome.gov