Elenco completo delle pubblicazioni 2012

 

Il lievito: un modello sperimentale per i segni del tempo
È un organismo monocellulare molto semplice, eppure i biologi lo utilizzano come modello di riferimento per studiare la biologia cellulare e molecolare di organismi superiori: è Saccharomyces cerevisiae, più comunemente noto come il lievito della birra. Cristina Mazzoni e Claudio Falcone - ricercatori di Sapienza Università e Istituto Pasteur di Roma - hanno messo a punto una procedura che permette di utilizzare questo organismo così diverso da noi come “orologio” per misurare l’avvio di fenomeni connessi con l’invecchiamento. La ricerca è pubblicata su Frontiers in Oncology*.

 

Il lievito è un organismo facilmente coltivabile che, quando si riproduce, forma delle colonie, ognuna delle quali è costituita da cellule derivate dalla stessa “madre”. A rendere il lievito un modello sperimentale estremamente utile è il fatto che i suoi meccanismi base (come la replicazione, la ricombinazione, la divisione e il metabolismo cellulare) sono comuni a quelli degli organismi superiori, uomo compreso. L’analisi genetica del lievito, per esempio, ha chiarito i meccanismi che regolano la progressione del ciclo cellulare: si tratta di uno studio importante per l’avanzamento delle nostre conoscenze sulla biologia del cancro, tanto che, nel 2001, ha valso a Lee Hartwell e Paul Nurse il Premio Nobel per la medicina.

 

S. cerevisiae è anche un modello ampiamente utilizzato per lo studio dei fenomeni che regolano la longevità. Il numero di divisioni che una cellula madre subisce prima di divenire “anziana” e smettere di moltiplicarsi (fenomeno della senescenza cellulare) può essere facilmente misurato e dare la stima della durata della vita replicativa. Dal confronto fra la longevità di un lievito wild type e quella di un lievito portatore di mutazioni genetiche si ottengono informazioni riguardo il ruolo del gene in questione nei processi di invecchiamento.

 

Cristina Mazzoni e Claudio Falcone utilizzano il lievito come modello per lo studio di malattie degenerative connesse con l’invecchiamento. Nell’ambito di questo progetto - finanziato da Istituto Pasteur di Roma - i ricercatori hanno messo a punto una procedura che consiste nell’isolare una singola cellula e osservarne la crescita “indisturbata” nel tempo: questo è fondamentale perché permette di annullare l’inibizione della divisione cellulare dovuta alla vicinanza con altre colonie. Tali condizioni incrementano il numero di divisioni cellulari e rendono il lievito più soggetto a mutazioni genetiche. Se inizialmente la colonia appare come un circolo dai contorni regolari, con l’avanzare dell’età alcune cellule sfuggono ai meccanismi di controllo della crescita; si manifestano così delle “protuberanze” sulla superficie della colonia: sono i primi segni del tempo. I ricercatori paragonano questi “inestetismi” a delle forme benigne di tumore della pelle (cheratosi seborroiche) che si manifestano nell’uomo con l’invecchiamento. Questo studio suggerisce che una singola colonia di lievito possa fungere da “orologio” per segnalare l’inizio dei fenomeni connessi con l’invecchiamento e che, dalla sua osservazione, si possano ricavare informazioni sulle masse cellulari che, invecchiando, sfuggono al controllo del ciclo cellulare.

 

* C. Mazzoni, E. Mangiapelo, V. Palermo and C. Falcone “Hypothesis: is yeast a clock model to study the onset of humans aging phenotypes?” Frontiers in Oncology Dec 2012

 


A LEZIONE DALLA NATURA
Gli studi dei ricercatori di Istituto Pasteur
Dagli anfibi una difesa contro le infezioni microbiche
Polifenoli dal tè verde: gli effetti sulle cellule

 


Meccanismi di riprogrammazione cellulare: il ruolo di Parp-1
Luce sui meccanismi epigenetici che intervengono durante lo sviluppo delle cellule germinali primordiali, progenitrici dei gameti maschili e femminili. Lo studio - condotto dai ricercatori di Istituto Pasteur - Fondazione Cenci Bolognetti e delle università romane di Sapienza e Tor Vergata - è pubblicato su PlosOne*o

 

 

Neuroni per la trasmissione dell’impulso nervoso, cellule muscolari per il movimento, globuli bianchi per la difesa… In tutte le cellule altamente specializzate del corpo di un adulto sono attivi “solo” i relativamente pochi geni necessari per sopravvivere e svolgere un’attività specifica. Al contrario, nelle cellule dell’embrione il genoma è “onnipotente” (totipotente) e “malleabile” (plastico): nel corso dello sviluppo dell’organismo vengono spenti i geni non necessari e rimangono attivi solo quelli specifici per i diversi tipi di cellule. Tale progressiva acquisizione delle competenze cellulari avviene grazie a meccanismi epigenetici come la metilazione del DNA. L’aggiunta di gruppi chimici metile ad una specifica base azotata ad opera dell’enzima DNA metiltransferasi 1 (Dnmt1) generalmente rende il materiale genetico inaccessibile alla lettura, “spegnendo” i geni (silenziamento). (Vedi l’approfondimento “Epigenetica. Così le cellule leggono il DNA”).

 

La metilazione è un meccanismo reversibile. I gruppi metile aggiunti da Dnmt1 possono essere rimossi grazie all’intervento dell’enzima idrossilasi Tet1 e ciò è proprio quello che avviene in maniera massiccia nelle primissime fasi dello sviluppo dei mammiferi per fare sì che i geni ereditati in uno stato “silenziato” possano essere riaccesi e l’ “onnipotenza” ripristinata. Si tratta di una vera e propria riprogrammazione epigenetica che interessa in particolare modo le cellule da cui poi formeranno i gameti maschili e femminili (cellule germinali primordiali o PGC - Primordial Germ Cells). Fra il 10mo e l’11mo giorno di sviluppo embrionale, il genoma delle PGC subisce un’intensa ed estesa azione di demetilazione del DNA, volta a “cancellare” le modifiche epigenetiche ereditate. Queste cellule rappresentano perciò un buon materiale per studiare i meccanismi che sono alla base della totipotenza e plasticità delle cellule embrionali.

 

Nel laboratorio guidato da Paola Caiafa - ricercatrice dell’Istituto Pasteur di Roma e del Dipartimento di Biotecnologie cellulari ed Ematologia di Sapienza - Università - si studia il ruolo dell’enzima Parp-1 in relazione ai meccanismi epigenetici. Parp-1, che nelle cellule è solitamente indotta in seguito a danno del DNA, modifica le proteine mediante l’aggiunta di gruppi ADP-ribosio, regolando così l’attività proteica e l’espressione genica. In precedenza Paola Caiafa e collaboratori avevano dimostrato che questa proteina può regolare i quadri di metilazione del DNA esercitando un controllo sull’espressione ed attività di Dnmt1. Nell’ultimo lavoro, pubblicato su PlosOne*, i ricercatori descrivono il coinvolgimento di Parp-1 negli eventi di riprogrammazione che si verificano nelle PGC di topo.

 

Analizzando PGC di topo, i ricercatori hanno osservato che, in corrispondenza del momento di più intensa attività di demetilazione del DNA, si verifica un aumento dell’attività di Parp-1 (anche in assenza di danno al DNA). A una tale crescita dei livelli di Parp-1 non corrisponde però una diminuzione dell’espressione di Dnmt1; aumentano, al contrario, i livelli di Tet1, l’enzima capace di cancellare il “marchio” della metilazione sul genoma. In seguito a inibizione dell’attività di Parp-1, infatti, i ricercatori hanno osservato l’abbassamento dei livelli di Tet1 e la perdita di riprogrammazione epigenetica.

 

In conclusione, questo studio dimostra il contributo diretto di Parp-1 nella riprogrammazione alla base della formazione della linea germinale.

 

* F. Ciccarone, F.G. Klinger, A. Catizone, R. Calabrese, M. Zampieri, M.G. Bacalini, M. De Felici, P. Caiafa “Poly(ADP-ribosyl)ation acts in the DNA demethylation of mouse primordial germ cells also with damage-independent roles” PlosOne October 2012

 


Meccanismi di resistenza in ambiente acido di una nuova specie di batterio
Prima di raggiungere gli organi dove potrà insediarsi, Brucella microti (una nuova specie di batterio trasmessa per via alimentare) transita nello stomaco. Come sopravvive alle condizioni di estrema acidità che vi trova? Una ricerca pubblicata su The Journal of infectious diseases* fa luce sui meccanismi base di tale resistenza allo stress acido

 

Per sopravvivere in un individuo ospite un microrganismo deve adattarsi a condizioni avverse: i microbi più “furbi”, quelli in grado di destreggiarsi nelle situazioni meno favorevoli, sono avvantaggiati rispetto agli altri. I batteri che penetrano nell’organismo per ingestione, per esempio, prima di raggiungere i distretti entro i quali possono moltiplicarsi, devono saper superare una barriera acida dovuta ai succhi gastrici presenti nello stomaco. Uno studio a cui ha preso parte Daniela De Biase, ricercatrice dell’Istituto Pasteur - Fondazione Cenci Bolognetti e della sede di Latina di Sapienza - Università, rivela che, per passare indenne l’ambiente estremamente acido dello stomaco, Brucella microti si avvale di uno specifico sistema enzimatico; si tratta del sistema GAD, similmente utilizzato da batteri enterici commensali (E.coli) o patogeni (Shigella flexneri). Lo studio è pubblicato su The Journal of infectious diseases e rientra in una collaborazione con i ricercatori dell’Università di Montpellier (Francia) e del Centro di Tecnologia agroalimentare di Saragozza (Spagna).

 

Perché possano infettare con successo un organismo, i batteri del genere Brucella devono poter resistere a ripetuti “attacchi” acidi. Una volta ingeriti, questi microrganismi transitano nell’ambiente ostile dello stomaco (pH: 2,5) poi, se sopravvivono, giungono alla milza, al fegato, al midollo osseo e ai linfonodi. Tali organi sono ricchi di macrofagi, cellule al cui interno sono contenuti enzimi acidi (pH:4,5), normalmente deputati a distruggere gli agenti estranei. È proprio in queste cellule, invece, che i batteri si moltiplicano. Le brucelle infettano principalmente animali (bovini, ovini, suini, roditori) in cui provocano la brucellosi, un’infezione temuta dagli allevatori perché, tra l’altro, è causa di aborto. L’uomo può venire a contatto con le brucelle tramite ingestione di latte non pasteurizzato, l’infezione che ne segue causa una malattia a decorso lento, caratterizzata da febbre a intermittenza, dolori muscolari e ingrossamento della milza. La gravità della malattia dipende dalle condizioni immunitarie dell’individuo.

 

Brucella microti, una specie di brucella recentemente isolata dai roditori, è in grado di replicarsi più velocemente di altre e causa la morte dell’82% dei topi in cui è iniettata. A cosa è dovuta questa maggiore aggressività rispetto alle altre specie? Per rispondere a questa domanda, Daniela De Biase e collaboratori hanno analizzato il meccanismo di resistenza allo stress acido di questo batterio. È noto da tempo che i microrganismi come E.coli hanno il vantaggio di saper resistere all’acidità gastrica: ciò è possibile grazie a un sistema molto efficiente, costituito dai geni gadA e gadB. Entrambi i geni codificano per l’enzima glutammato decarbossilasi (GAD), promotore di una reazione chimica che trasforma l’ambiente da intollerabile a vivibile (da più a meno acido). Anche la proteina di membrana GadC (che fa entrate il glutammato, il substrato della GAD, e fa uscire il GABA, il prodotto della reazione) è un componente fondamentale del sistema. Per prima cosa, i ricercatori hanno verificato la presenza di un simile sistema nelle brucelle. Dallo studio del genoma dei batteri è emerso che i geni gadB e gadC sono espressi in B. microti, mentre risultano non funzionanti in atre specie, come B. suis. Una serie di esperimenti ha poi confermato che il sistema GAD fa sì che B. microti possa oltrepassare indenne la barriera acida dello stomaco: introdotti in batteri che ne sono privi, gadB e gadC migliorano sensibilmente la capacità di resistere a condizioni che mimano l’ambiente proprio dello stomaco (pH: 2,5). Mutazioni che aboliscono la funzionalità di gadB e gadC (batteri ΔgadBC) limitano le chances di sopravvivenza di B. microti in queste medesime condizioni, ma non in quelle, meno estreme (pH:4,5), presenti all’interno dei macrofagi. Questi risultati indicano che il sistema GAD protegge B. microti solo dal primo, più aggressivo, attacco acido e non da quello, più moderato, che i batteri subiscono nei macrofagi.

 

I ricercatori spagnoli hanno poi somministrato B. microti wildtype e B. microti ΔgadBC a topi per via orale e quindi analizzato la capacità dei diversi batteri di colonizzare fegato, milza e linfonodi. Mentre i batteri wild type sono capaci di raggiungere gli organi bersaglio; i batteri ΔgadBC riescono in tale impresa solo quando somministrati con una soluzione di bicarbonato, volta a neutralizzare l’acidità dello stomaco. In conclusione, questo studio dimostra, per la prima volta, che il sistema GAD è necessario alla sopravvivenza di B. microti allo shock acido estremo e rappresenta quindi un possibile fattore di vantaggio per questa specie di brucella.

 

* Alessandra Occhialini, Maria Pilar Jiménez de Bagüés, Bashir Saadeh, Daniela Bastianelli, Nabil Hanna, Daniela De Biase, and Stephan Köhler “The Glutamic Acid Decarboxylase System of theNew Species Brucella microti Contributes to Its Acid Resistance and to Oral Infection of Mice” The Journal of Infectious diseases 1 Nov 2012

 


La mancanza di distrofina modifica l’espressione di geni coinvolti nello sviluppo e nella sopravvivenza delle cellule nervose in un modello animale di Distrofia Muscolare di Duchenne

Lo studio dei ricercatori di Istituto Pasteur e Sapienza - Università di Roma è pubblicato su European Journal of Neuroscience

 

La Distrofia Muscolare di Duchenne (DMD) è una patologia genetica ereditaria che si manifesta nell’infanzia ed è causata dalla mancanza di distrofina, una proteina essenziale per la stabilità e l’integrità delle fibre muscolari durante le fasi di contrazione e rilasciamento. La malattia è, infatti, caratterizzata dalla progressiva degenerazione del tessuto muscolare (per esempio muscoli scheletrici, muscolo cardiaco, diaframma), la cui gravità è tale da risultare letale entro i 20 anni di età. Negli individui sani la distrofina è presente non solo nel tessuto muscolare ma anche nelle cellule nervose del cervello e del sistema nervoso autonomo (che controlla le funzioni involontarie dell’organismo): per questo motivo i pazienti affetti da DMD, oltre alla progressiva perdita di forza muscolare e capacità motorie, presentano alterazioni neurologiche, troppo spesso sottovalutate.

 

Sebbene al momento non esistano cure risolutive per la DMD, sono in corso protocolli sperimentali promettenti mirati a stabilire una terapia muscolare volta al rallentamento della patologia e quindi all’aumento dell’aspettativa di vita dei pazienti. Chiarire gli aspetti genetici e molecolari alla base delle alterazioni neurologiche associate alla DMD è perciò quanto mai essenziale per lo sviluppo di terapie specifiche per il sistema nervoso, importanti per poter migliorare la qualità di vita dei giovani pazienti.
In questa direzione si è svolto il lavoro dei ricercatori del Dipartimento di Biologia e Biotecnologie di Sapienza Università di Roma, coordinati da Paola Paggi e in collaborazione con Rodolfo Negri. Già in precedenza gli stessi studiosi avevano dimostrato che in un modello animale della DMD (topi mdx) si verificano danni strutturali e funzionali durante lo sviluppo e il differenziamento delle cellule nervose di una delle componenti del sistema nervoso autonomo, il ganglio cervicale superiore (SCG). Il SCG è principalmente coinvolto nella ricezione di informazioni elaborate a livello del sistema nervoso centrale per il controllo funzionale di organi importanti quali il cuore, la ghiandola pineale nel cervello (che controlla il ritmo circadiano sonno-veglia), le ghiandole salivari, l’iride e la muscolatura liscia delle arterie che si dirigono verso il capo (per esempio la carotide). Per lo studio attuale - pubblicato su European Journal of Neuroscience* e possibile grazie al finanziamento di Istituto Pasteur, ASI e MIUR - Paggi e colleghi hanno analizzato l’espressione genica delle cellule nervose del SCG di topi mdx, comparandola con quella di topi sani (wild type). Utilizzando una tecnica che consente di analizzare l’espressione dell’intero genoma di un organismo (DNA microarrays), i ricercatori hanno verificato se la mancanza di distrofina alterasse l’espressione di geni coinvolti nello sviluppo delle cellule nervose del SCG, mediante analisi effettuate in date caratteristiche dello sviluppo postnatale. Lo studio ha evidenziato differenze nell’espressione di oltre 500 geni tra i topi wild-type e i topi mdx. In particolare, i risultati indicano che nei topi distrofici si verifica la riduzione dell’espressione di geni che regolano:
a) la formazione degli assoni (i processi neuronali che conducono l’informazione nervosa a distanza)
b) la formazione delle sinapsi (punti di contatto e di comunicazione fra cellule nervose e fra queste e le loro cellule bersaglio, come quelle muscolari)
c) i processi metabolici
d) i fattori di crescita
e) i meccanismi molecolari intracellulari (come per esempio quelli innescati dal fattore di crescita Nerve Growth Factor) che garantiscono la sopravvivenza e il differenziamento delle cellule nervose.

 

Questi dati suggeriscono che le alterazioni strutturali e funzionali precedentemente descritte sia nel sistema nervoso autonomo sia nel cervello dei topi mdx sono conseguenti non solo a una modificazione post-sintesi di proteine specifiche ma anche a un’alterazione diretta, o indiretta, della loro espressione genica. Lo studio getta le basi per un’analisi accurata di come la mancanza di distrofina possa compromettere il corretto sviluppo del sistema nervoso associato alla Distrofia Muscolare di Duchenne.

 

*V Licursi, I. Caiello, L. Lombardi, ME De Stefano, R. Negri and P. Paggi (2012) Lack of dystrophin in mdx mice modulates the expression of genes involved in neuron survival and differentiation. European Journal of Neuroscience, 35:691-701

 


Alterazioni molecolari come conseguenza dell’interazione fra virus e cellule infettate

 

Uno studio dimostra che il virus di Epstein Barr - un virus in grado di indurre la trasformazione cellulare associata ai tumori - altera l'espressione dei microRNA (miR) - molecole regolatorie dell’espressione genica. La ricerca è stata possibile grazie al finanziamento dell’Istituto Pasteur ed è pubblicata sulla rivista scientifica internazionale Leukemia*.

 

Il virus di Epstein-Barr (EBV) appartiene alla famiglia degli herpes virus ed è uno degli agenti infettivi più comuni nell’uomo, in cui provoca la mononucleosi. In seguito a infezione, il virus rimane in forma latente (ovvero dormiente, inespressa) nelle cellule. Negli individui sani EBV è tenuto costantemente sotto controllo dal sistema immunitario; però, in mancanza di una risposta immunitaria adeguata (per esempio in pazienti affetti da Aids), la presenza del virus è associata alla formazione di tumori, come il carcinoma nasofaringeo e il linfoma di Burkitt.

 

Alberto Faggioni e Pankaj Trivedi, ricercatori dell’Istituto Pasteur presso il dipartimento di Medicina sperimentale di Sapienza - Università di Roma, studiano in che modo EBV interagisca con le funzioni cellulari per causare la formazione dei tumori. Per questo lavoro sono state studiate cellule (linfociti B) infettate da EBV e analizzata l’interazione fra EBNA-2 - una delle proteine virali responsabili della trasformazione in cellule tumorali - e la regolazione dell’espressione genica. In particolare, l’attenzione è stata focalizzata sui miR, piccole molecole di RNA che, modulando l’attività dei geni, governano un ampio spettro di funzioni cellulari. La presenza di EBNA-2 nelle cellule - si legge su Leukemia - determina un aumento dei livelli di miR21, noto marcatore tumorale; diminuiscono, al contrario, i livelli di miR146a - un microRNA essenziale per l’espressione di geni alla base della risposta immunitaria e della soppressione del fenotipo tumorale. In attesa di comprendere i meccanismi molecolari che consentono al virus di alterare l'espressione dei miR, questo studio fornisce, per la prima volta, indicazioni sull’interazione ospite-patogeno in relazione alla regolazione di miR21 e miR146a, coinvolti rispettivamente nell’induzione e repressione dei tumori.

 

*P. Rosato, E. Anastasiadou, N. Garg, D. Lenze, F. Boccellato, S. Vincenti, M. Severa, E.M. Coccia, R. Bigi, M. Cirone, E. Ferretti, A.F.Campese, M. Hummel, L. Frati, A. Faggioni and P. Trivedi “Differential regulation of miR21 and miR146a by Epstein-Barr- virus encoded EBNA2” Leukemia 22 May 2012

 


Cardiosfere per rigenerare il cuore: ecco come ottenerle
Progressi nella medicina rigenerativa del muscolo cardiaco. Uno studio finanziato dall’Istituto Pasteur – Fondazione Cenci Bolognetti svela il meccanismo di formazione delle cardiosfere: strumenti ottimali per riparare un cuore danneggiato in seguito a infarto

 

Riparare un cuore “distrutto”… in caso di infarto. È una possibilità, in fase di sperimentazione, che si avvale delle cardiosfere: aggregati cellulari tridimensionali che fungono da serbatoio di cellule staminali da introdurre nei pazienti affinché ricostruiscano un cuore sano. Una ricerca finanziata tra gli altri dall’Istituto Pasteur - Fondazione Cenci Bolognetti svela i meccanismi base di formazione di questi preziosi strumenti terapeutici, fornendo informazioni essenziali per capire come aumentarne il potenziale rigenerativo. Frutto anche della collaborazione con l’Istituto Superiore di Sanità e il Burnham Medical Research Institute (Usa), lo studio è pubblicato su Stem Cells and Develpment* ed è stato condotto dai ricercatori di Sapienza Università di Roma Alessandro Giacomello ed Elvira Forte; quest’ultima rientrata in Italia grazie a una borsa dell’Istituto Pasteur in seguito a un’esperienza lavorativa negli Usa.

 

Le patologie cardiovascolari sono caratterizzate dalla morte delle cellule del cuore, a ciò segue la formazione di tessuto cicatriziale che, incapace di contrarsi, finisce per compromettere il normale funzionamento del muscolo cardiaco. I recenti progressi nel campo della medicina rigenerativa indicano le cardiosfere quali candidati ottimali per riparare un cuore malato. Si tratta di strutture tridimensionali che si formano in vitro a partire da cellule isolate, mediante biopsia, dal cuore di pazienti. Se reintrodotte nell’organismo, le cardiosfere non comportano alcun rischio di rigetto, sono bensì pronte a fornire le cellule staminali in grado di generare i diversi tipi cellulari che compongono il tessuto cardiaco, rappresentando così uno strumento ideale per rimpiazzare i “pezzi” di cuore lesi in caso di infarto.

 

Ma come si formano le cardiosfere? La ricerca pubblicata su Stem Cells and Development dimostra che per poter espandere e generare questi strumenti terapeutici in vitro, le cellule isolate dai pazienti “mimano” i processi alla base dello sviluppo del cuore. Nell’embrione - chiarisce Alessandro Giacomello - il muscolo cardiaco è formato a partire da cellule che subiscono una trasformazione morfogenetica: dallo stato “epiteliale” (piatto e ancorato al substrato) passano allo stato “mesenchimale” (tondeggiante e capace di muoversi). Questo cambiamento di forma e funzione cellulare, essenziale per modellale il tessuto cardiaco, è indotto dalla proteina TGFβ e si verifica anche nell’adulto in diverse condizioni fisiopatologiche, per esempio come tentativo di riparo nel caso di danno causato da infarto.

 

Abbiamo osservato – aggiunge Giacomello – che durante la formazione delle cardiosfere in vitro si attivano gli stessi geni che regolano la transizione epitelio-mesenchimale nell’embrione. La capacità di subire il cambiamento morfogenetico è infatti alla base della maturazione degli aggregati cellulari e, anche in questo caso, dipende da TGFβ. La somministrazione di TGFβ alle cellule isolate dai pazienti aumenta l’efficienza di formazione delle cardiosfere che, al contrario, risulta limitata quando si adoperano molecole volte a inibire l’attività di questa proteina. Questi risultati - conclude il ricercatore - suggeriscono un metodo per aumentare il potenziale rigenerativo delle cellule staminali da utilizzare nella “ricostruzione” di un cuore sano.

 

*Elvira Forte, Fabio Miraldi, Isotta Chimenti, Francesco Angelini, Ann Zeuner, Alessandro Giacomello, Mark Mercola and Elisa Messina “TGFβ-dependent Epithelial to Mesenchymal transition is required to generate Cardisphere form human adult heart biopsies” Stem Cells and Development July 2012

 


Atrofia muscolare spinale: verso una possibile soluzione farmacologica
Importanti passi avanti sulla strada verso una cura per l’atrofia muscolare spinale (Sma), malattia neuromuscolare caratterizzata dalla progressiva morte delle cellule nervose che impartiscono ai muscoli il comando di movimento (i motoneuroni). Lo studio è pubblicato su Molecular Medicine* e dimostra l’efficacia di un farmaco nel contrastare il decorso della patologia nel topo. Si tratta di una ricerca made in Italy, frutto della collaborazione dei ricercatori dell’Università di Tor Vergata, del CNR di Napoli, e dell’Ospedale San Pietro (Roma). Al lavoro ha preso parte Antonio Musarò, ricercatore di Istituto Pasteur e dell’Università La Sapienza di Roma.

 

L’atrofia muscolare spinale è una malattia causata da un difetto del gene SMN1 (o SMN2) che porta alla ridotta produzione di SMN (Survival Motor Neuron), una proteina essenziale per la sopravvivenza dei motoneuroni. Gli individui con carenza di SMN, infatti, subiscono la progressiva perdita di cellule nervose; ciò determina l’atrofia muscolare e la disabilità motoria che caratterizzano la malattia. La modalità di trasmissione della Sma è autosomica recessiva: i genitori sono portatori sani del difetto e hanno il 25% di possibilità di trasmettere la malattia a ciascuno dei figli. Nella sua forma più grave (Sma-1) la patologia si manifesta sin dalla nascita, compromette progressivamente le capacità motorie e respiratorie e costituisce la più comune causa genetica di morte infantile.

 

La comunità scientifica è perciò alla ricerca di un metodo efficace che possa revertire, o almeno rallentare, il decorso della malattia. In particolare, gli studi sono concentrati sul potenziale terapeutico di agenti neuro-nutrienti o neuro-protettivi, per esempio IGF-1 (Insulin Growth Factor-1) – una proteina sintetizzata dal fegato che, tra le altre funzioni, svolge un ruolo nel garantire la sopravvivenza dei motoneuroni e nel mantenere l’integrità muscolare in seguito a lesioni.

 

I ricercatori italiani hanno analizzato gli effetti su modello murino di Sma1 di un farmaco, a base di IGF-1, già utilizzato per la cura dei problemi della crescita nell’infanzia e nell’adolescenza. Il farmaco in questione, noto con il nome di IPLEX, è costituito dal complesso formato da IGF-1 con un’altra proteina, IGFBP-3. IGFBP-3 stabilizza il fattore di crescita e permette di superare la barriera emato-encefalica, in altre parole di raggiungere il sistema nervoso centrale: una caratteristica essenziale per il trattamento di malattie che colpiscono le cellule nervose. In seguito alla somministrazione di IPLEX a topi affetti da Sma-1 – si legge su Molecular Medicine – i ricercatori hanno osservato una significativa riduzione della perdita dei motoneuroni, l’aumento delle dimensioni delle fibre muscolari e, nel complesso, il miglioramento delle performances motorie degli animali.

 

In attesa di dati che confermino questi effetti anche sull’uomo, il lavoro fornisce risultati incoraggianti per la ricerca di una cura per la Sma.

 

* M. Murdocca, A. Malgieri, A. Lucchetti, L. Saieva, G. Dobrowolny, E de Leonibus, A. Filareto, M.C. Quitadamo, G. Novelli, A. Musarò and F. Sangiuolo “IPLEX administration improves motor neuron survival and ameliorates motor functions in a severe mouse model of SMA” Molecular Medicine, May 29 2012

 


Spondilite anchilosante: alla ricerca delle cause scatenanti
Passi avanti verso la comprensione dei meccanismi molecolari che causano la spondilite anchilosante, una malattia cronica disabilitante che colpisce le articolazioni. La ricerca, guidata da Rosa Sorrentino dell’Istituto Pasteur e di Sapienza - Università di Roma, è pubblicata su Journal of Biological Chemistry

 

Comprendere i meccanismi che innescano la malattia per intervenire su di essi e trovare un trattamento efficace. È lo scopo della ricerca su malattie per cui ancora non esistono cure risolutive, come è il caso della spondilite anchilosante, forma artritica che provoca un’infiammazione cronica delle articolazioni, generando dolore,difficoltà di movimento e compromettendo gravemente la qualità della vita degli individui che ne sono affetti. Uno studio finanziato dall’Istituto Pasteur – Fondazione Cenci Bolognetti di Roma chiarisce le caratteristiche di HLA-B27, un gene la cui presenza è associata al 90% dei casi di malattia. La ricerca, guidata da Rosa Sorrentino del Dipartimento di Biologia e Biotecnologie “C. Darwin” della “Sapienza” Università di Roma -, è pubblicata sulla rivista internazionale Journal of Biological Chemistry, JBC*.

 

I geni HLA (Human Leucocyte Antigen, antigeni leucocitari umani) producono proteine che legano, all’interno della cellula, frammenti proteici (antigeni) derivati da agenti estranei all’organismo; in seguito a tale legame, le proteine HLA vanno a posizionarsi sulla superficie della cellula per “presentare” l’antigene e scatenare la risposta del sistema immunitario che elimina l’intruso. Esistono numerosi geni HLA, ciascuno dei quali è presente in diverse forme (alleli) che variano da individuo a individuo. I diversi alleli sono responsabili, tra l’altro, della compatibilità tissutale: fenomeno alla base dell’accettazione o del rigetto di organi trapiantati. Inoltre, alcune malattie autoimmuni croniche sono spesso associate a particolari HLA: nel caso della spondilite anchilosante, la relazione con HLA-B27 è nota ormai da circa quaranta anni; nonostante questo, le cause molecolari che legano il gene alla malattia sono ancora per lo più sconosciute. Il lavoro pubblicato su JBC contribuisce a fare chiarezza in questo senso.

 

Col nostro studio - spiega Rosa Sorrentino - dimostriamo innanzitutto che, nel corso del suo cammino all’interno della cellula verso la superficie, HLA-B27 è in grado di scambiare più volte gli antigeni e, in particolare, di poterlo fare anche in compartimenti cellulari non convenzionali, una caratteristica che sembra caratterizzare questa classe di HLA. Per capire il meccanismo di azione di HLA-B27 in relazione alla patologia – aggiunge la ricercatrice – abbiamo poi confrontato la forma allelica 05 - la più studiata perché molto comune nelle diverse popolazioni e frequentemente associata alla spondilite anchilosante - con la forma 09 - diffusa nella popolazione sarda e non presente negli individui malati. Le due forme, 05 e 09 differiscono solo per un amminoacido. Le nostre ricerche indicano che le caratteristiche di legame con l’antigene delle due forme alleliche, intese come forza e affinità di interazione, sono diverse; questo - conclude Sorrentino - potrebbe essere alla base della diversa associazione con la malattia.

 

* A. Magnacca, I. Persiconi, E. Nurzia, S. Caristi, F. Meloni, V. Barnaba, F. Paladini, D. Raimondo, M.T. Fiorillo and R. Sorrentino “Characterization of proteasome and TAP-independent presentation of intracellular epitopes by HLA-B27 molecules”. Journal of Biological Chemistry July 2012

 


Meccanismi molecolari di protezione dei telomeri

 

Per mantenersi in salute le nostre cellule fanno affidamento, tra l’altro, sui telomeri – strutture formate da brevi sequenze di DNA ripetute migliaia di volte (TTAGGGn) e proteine specifiche che proteggono le estremità dei cromosomi: regioni deboli, suscettibili a variazioni che possono finire per compromettere la stabilità del genoma. Ma cosa protegge a loro volta i telomeri da eventi che ne possono intaccare l’integrità? Una ricerca frutto della collaborazione di ricercatori francesi, tedeschi e italiani suggerisce uno dei possibili meccanismi. Allo studio - pubblicato su PlosOne* - ha preso parte Stefano Cacchione dell’Istituto Pasteur di Roma.

 

I telomeri (dal greco tèlos: fine e mèros: parte) si trovano alle estremità dei cromosomi lineari propri degli organismi superiori; il loro ruolo è quello di “nascondere” le terminazioni e impedire che la cellula, riconoscendole come rotture del DNA, attivi meccanismi di riparazione del danno che porterebbero a fusioni tra i cromosomi e all’arresto della replicazione. A ogni ciclo di divisione cellulare i telomeri subiscono un accorciamento, bilanciato solo dall’azione della telomerasi: un enzima che “ricostruisce” la porzione persa. Variazioni nello stato dei telomeri compromettono gravemente la salute cellulare, interferendo con numerosi processi (quali lo sviluppo e la maturazione delle cellule) e conducendo a malattie come il cancro. In particolare, il buono stato di conservazione dei telomeri è essenziale per mantenere giovani le cellule, ritardando i processi di senescenza; la perdita di queste strutture, infatti, è associata a fenomeni di invecchiamento precoce. Per questi motivi la Ricerca è impegnata a comprendere i fenomeni che garantiscono l’integrità dei telomeri.

 

I cromosomi sono organizzati in elementi, i nucleosomi, formati dall’avvolgimento del DNA attorno a un ottamero di proteine basiche, gli istoni. Il complesso dei nucleosomi con altre proteine (non istoniche) forma la cromatina, la cui struttura determina la maniera in cui i geni sono espressi. Non è ancora del tutto chiaro quale sia il ruolo che i nucleosomi rivestono nelle regioni telomeriche. Come descritto sulle pagine di PlosOne, i ricercatori hanno analizzato l’effetto dell’aggiunta o privazione di TRF2, una proteina appartenente al complesso dello shelterin (dall’inglese shelter: riparo) essenziale per la stabilità dei telomeri, sulla densità dei nucleosomi nelle regioni telomeriche. Ciò ha permesso di dimostrare che TRF2 regola numero e intervallo dei nucleosomi in una maniera che dipende dalla fase del ciclo cellulare. Lo studio pubblicato su PlosOne, infine, avanza l’ipotesi che a difendere nel corso della vita cellulare i telomeri dalla degradazione sia, almeno in parte, l’organizzazione dei nucleosomi “plasmata” da TRF2.

 

* A. Galati, F.Magdinier, V. Colasanti, S. Bauwens, S. Pinte, R. Ricordy, MJ Giraud-Panis, MC Pusch, M. Savino, S. Cacchione, E. Gilson “TRF2 controls telomeric nucleosome organization in a cell cycle phase-dependent manner” PlosOne 20 April 2012

 


La struttura del genoma influenza la ricombinazione
Il gruppo guidato da Giorgio Camilloni, del dipartimento di Biologia e Biotecnologie, ha studiato la relazione tra la struttura del DNA, la produzione di molecole di RNA non codificante (ncRNA) e la ricombinazione. Lo studio, condotto nel lievito Saccharomyces cerevisiae, è pubblicato su Molecular Biology of the Cell* .

 

I ricercatori hanno analizzato mutanti di lievito con alterazioni nelle proteine che regolano la struttura della cromatina. Più specificatamente, un’attenzione particolare è stata rivolta a mutanti dell’istone deacetilasi, gli studi sono stati effettuati sul rDNA e il ruolo dell’architettura di questa porzione del genoma è stato analizzato in relazione alla ricombinazione associata alla trascrizione. I meccanismi di acetilazione e deacetilazione degli istoni sono comuni nelle cellule e volti a rimodellare la struttura della cromatina: un processo fondamentale nella regolazione dell’espressione genica durante sviluppo embrionale e differenziamento cellulare. Nei mutanti con aumentato stato di acetilazione degli istoni, i ricercatori hanno osservato, rispetto a lieviti wild type, una maggiore produzione di ncRNA e di extrachromosomal ribosomal circles (ERC). Quest’ultime sono molecole di DNA circolare che, con la ricombinazione, originano dalle sequenze lineari di rDNA; la loro presenza nei lieviti è indice di instabilità genomica associata a invecchiamento precoce. Mediante l’utilizzo di una tecnica che permette di isolare e studiare la composizione chimica di proteine legate a porzioni di DNA (la Chromatin Immunoprecipitation o Chip), i ricercatori hanno osservato che, nello specifico, a influenzare gli eventi di trascrizione e ricombinazione è l’acetilazione dell’aminoacido lisina (K16) nell’istone H4.

 

Questo studio indica che i pattern di acetilazione intervengono, oltre che nel regolare l’espressione genica, anche nel predisporre il DNA alla ricombinazione associata alla trascrizione: con l’aggiunta di gruppi acetile si viene a creare un “ambiente” strutturale che favorisce i processi di scambio fra sequenze di DNA. Alterazioni della struttura della cromatina possono quindi essere alla base dell’aumento della frequenza di ricombinazione associato a instabilità genomica propria di diverse patologie.

 

* Elisa Cesarini, Anna D’Alfonso and Giorgio Camilloni “H4K16 acetylation affects recombination and ncRNA transcription at rDNA in Saccharamyces cerevisiae” Mol Biol Cell 2012 May 23

 


Pallottole magnetiche contro le cellule tumorali

Dimostrata l’efficacia di enzimi contenenti rame - le ammine ossidasi - come potenziali “pallottole” magnetiche per eliminare le cellule tumorali. Il lavoro, a cui ha preso parte Enzo Agostinelli del dipartimento di Scienze Biochimiche, è pubblicato su International Journal of Nanomedicine* e getta le basi per progettare terapie antitumorali mirate, che non arrechino danni alle funzioni biologiche delle cellule normali.

 

Due sono i fattori che fanno di nanoparticelle contenenti l’enzima amminossidasi candidati ottimali per lo sviluppo di trattamenti specifici contro patologie umane: il substrato su cui agiscono - le poliammine** - e il fatto di possedere proprietà paramagnetiche.
Le ammine ossidasi riconoscono e interagiscono con le poliammine: da ciò scaturisce una reazione chimica (deaminazione ossidativa) che produce, tra l’altro, acqua ossigenata e aldeidi. La formazione di queste molecole causa un forte stress ossidativo per le cellule che rispondono auto-eliminandosi, cioè attivando i processi di necrosi o di morte cellulare programmata (apoptosi). Una tale “reazione pericolosa” tra l’enzima e il suo substrato suggerisce un possibile impiego in terapie antitumorali mirate. Le poliammine, infatti, rispetto a quanto osservato nelle cellule normali, sono presenti in “alta” concentrazione nelle cellule tumorali o, in generale, nelle cellule che subiscono alterazioni fisiologiche dovute a mutazioni o infezioni. E così, mentre le ammine ossidasi da sole non costituiscono alcun pericolo per l’organismo, a contatto con le poliammine, nelle cellule cancerose, diventano “pallottole” pronte a esplodere. Le proprietà magnetiche delle nanoparticelle, inoltre, suggeriscono un metodo efficace per “prendere la mira” e far sì che le pallottole raggiungano le cellule bersaglio. Infatti, in seguito a iniezione nel circolo sanguigno, le ammine ossidasi, immobilizzate sulla superficie delle particelle magnetiche, possono essere guidate in maniera precisa mediante applicazione di un campo magnetico nei siti in cui prolifera la neoplasia.

 

Per questo studio, Agostinelli e colleghi hanno isolato l’amminossidasi da sangue (plasma) bovino, dimostrandone poi la capacità di indurre apoptosi, in un ampio spettro di cellule tumorali umane (melanoma, osteosarcoma, carcinoma gastroenterico, adenocarcinomi e tumore della mammella), in presenza di poliammine come la spermina o la spermidina. Si tratta di un risultato importante che, oltre a dimostrare l’efficacia di questo metodo nell’eliminare le cellule maligne (e in particolare quelle farmaco resistenti) permette di escludere che - alla concentrazione di nanoparticelle utilizzata - la morte cellulare avvenga per necrosi. A differenza dell’apoptosi, infatti, i meccanismi necrotici creano un ambiente tossico anche per le cellule normali site in prossimità della massa tumorale, con seri effetti collaterali.

 

In conclusione, le ammine ossidasi rappresentano un metodo potenzialmente sicuro per eliminare in maniera mirata principalmente le cellule tumorali. Al momento, gli studi proseguono per testare l’efficacia di questa strategia anche su modello animale.

 

* Giulietta Sinigaglia, Massimiliano Magro, Giovanni Miotto, Sara Cardillo, Enzo Agostinelli, Radek Zboril, Eris Bidollari e Fabio Vianello “Catalytically active bovine serum amine oxidase bound to fluorescent and magnetically drivable nanoparticles” Int. J. Of Nanomedicine 20 April 2012

 

** Enzo Agostinelli and Kazuei Igarashi “Role of polyamines, their analogs and transglutaminases in biological and clinical perspectives” Amino Acids Volume 42, number 2-3, February 2012 , Edited by Enzo Agostinelli and Kazuei Igarashi, Springer-Verlag, Wien

 

 

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