Graziano Martello: “Il ruolo del gene ESRRB ci aiuterà a comprendere i meccanismi della pluripotenza, allo scopo di migliorare i modelli cellulari e far luce sui processi di differenziamento”
Oct4, Sox2, Klf4 e cMyc. Per qualcuno queste sono sigle senza particolare significato, ma per i biologi costituiscono una celebre sequenza di proteine la cui scoperta è legata alla nascita delle cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs), insuperabili locomotrici del settore delle terapie cellulari. Queste quattro proteine - chiamate anche fattori di Yamanaka, prendendo il nome dal Premio Nobel giapponese che ne ha scoperto la funzione di riprogrammazione cellulare - rappresentano la battuta di partenza del processo di formazione delle iPSCs. Ma a guidare il percorso di differenziamento di queste cellule in neuroni, epatociti o in altre cellule delle linea germinale è uno specifico gene: si tratta di ESRRB, descritto in un articolo pubblicato ad aprile su Nature Cell Biology da un gruppo di ricerca coordinato dal prof. Graziano Martello, del Dipartimento di Medicina Molecolare dell’Università di Padova.
CELLULE CON UN’INFINITÁ DI POSSIBILITÁ…
Ci sono cellule staminali, definite pluripotenti, specializzate nella creazione di qualsiasi tipo di tessuto; esse hanno un’origine embrionale, oppure possono essere ottenute a partire da cellule somatiche già differenziate - come i fibroblasti - mediante specifiche metodiche di riprogrammazione. È a questo che servono i fattori identificati all’inizio degli anni Duemila da Shinya Yamanaka: l’espressione di queste proteine corrisponde a una specie di “codice” in grado di riprogrammare la cellula, facendola tornare indietro nel tempo fino a farle riacquisire le caratteristiche embrionali. Le cellule staminali pluripotenti indotte rappresentano uno strumento basilare della ricerca biomedica poiché possono differenziarsi fino a diventare qualsiasi tipo cellulare, dai neuroni alle cellule della pelle fino a quelle del fegato. Ciò consente ai ricercatori di usarle per studiare specifiche patologie.
“Fintanto che le cellule si trovano in uno stadio indifferenziato, esse rimangono simili a sé stesse, ma poi iniziano a cambiare”, afferma il prof. Martello. “Dopo alcuni giorni tendono ad assomigliare a tipi cellulari specifici e, dopo diverse settimane, assumono l’aspetto di cellule mature e funzionali. Pertanto, ci siamo chiesti cosa accada alle cellule staminali pluripotenti quando smettono di essere tali e diventano qualcos’altro. Come si preparano al successivo differenziamento?”
…MA DESTINATE A “DIVENTARE GRANDI”
A queste domande non è facile dare una risposta, anche se una prima ipotesi di quale possa essere il meccanismo capace di guidare il differenziamento delle cellule staminali pluripotenti era già stata formulata alcuni anni fa. Fino ad oggi, però, non era mai stato trovato il gene responsabile della transizione. “Nelle prime ore di differenziamento le cellule entrano in una fase preparatoria durante la quale modificano il loro metabolismo e subiscono un cambiamento a livello dell’organizzazione del DNA”, prosegue Martello. “In questo frangente della loro vita esse attuano una serie di modifiche preparatorie grazie a cui sono predisposte a trasformarsi in neuroni, epatociti o qualsiasi altro tipo cellulare, compresi gli spermatozoi o gli ovociti necessari per dare origine a un nuovo organismo”.
Per semplicità, potremmo immaginare queste cellule non più come dei bambini, che da grandi sognano di poter svolgere qualsiasi professione, ma come degli adolescenti con le idee più chiare in merito a cosa fare una volta entrati nell’età adulta. E se da una parte i fattori di Yamanaka servono a riportare le cellule al punto di partenza, dall’altra è il gene ESRRB che le guida attraverso questa “fase adolescenziale” della vita.
UNA NUOVA TAPPA DEL VIAGGIO
“La nostra indagine è iniziata osservando le cellule staminali pluripotenti durante il percorso evolutivo che le porta a diventare innanzitutto precursori neurali e, poi, cellule mature”, afferma ancora Martello. “Le analisi di trascrittomica, condotte per valutare la diversa espressione dei geni nelle prime 48 ore di vita delle cellule, ci hanno messo di fronte a una sequenza di accensione e spegnimento di geni da cui abbiamo avuto conferma dell’esistenza di un ben preciso programma di formazione, guidato da un gene in particolare: ESRRB. È questo fattore di trascrizione a dare inizio alla fase preparatoria delle cellule staminali”.
Tuttavia, per essere certi che il perno del processo fosse proprio ESRRB, i ricercatori hanno pensato di eliminarlo così da verificare, senza ombra di dubbio, cosa accada alle cellule in sua assenza. “Per farlo ci siamo avvalsi di CRISPR, la tecnica di editing del DNA che ci ha permesso di modificare le cellule rimovendo geneticamente ESRRB”, spiega il professore padovano. “Quando questo gene viene a mancare le cellule saltano la fase preparatoria e non riescono a imboccare la giusta direzione, differenziandosi in tipi cellulari diversi da quelli programmati”. Ad esempio, non è possibile ottenere dalle iPSCs delle cellule germinali, sebbene le cellule avessero inizialmente ricevuto l’indicazione a diventare spermatozoi o ovociti. Coerentemente con tutto ciò, dagli studi di letteratura è emerso che i topolini nei quali il gene ESRRB risultato mutato sono sterili.
CONOSCERE IL RUOLO DI ESRRB PER MIGLIORARE LA QUALITÀ DELLE iPSCs
Le principali prospettive di questa affascinante ricerca sono legate a una maggior comprensione delle cellule staminali, un aspetto a cui l’équipe del prof. Martello ha sempre dedicato speciale attenzione, come dimostrano anche i precedenti studi svolti nel campo della pluripotenza. Conoscere nel dettaglio le cellule staminali ha un enorme valore dal momento che esse trovano impiego anche nella creazione di modelli di malattie contro le quali attualmente non esistono terapie efficaci.
“Nella maggior parte delle ricerche di base si usano iPSCs di topo poiché sono quelle che hanno generato una più solida conoscenza”, commenta Martello. “Poi si trasla quanto acquisito nelle cellule umane. Purtroppo, tra le possibili spiegazioni sulla difficoltà di ottenere modelli di malattia adeguati con le iPSCs umane c’è il fatto che esse si trovano in uno stato cellulare più avanzato rispetto a quello preparatorio poc’anzi descritto. È come se avessero saltato delle tappe o non avessero seguito il percorso giusto. Pertanto, la nostra scoperta nel modello murino può consentire di elucidare i passaggi che avvengono anche nelle iPSC umane, facendo chiarezza sulle modalità di regolazione del differenziamento cellulare”.
Ricorrendo ad approfondite analisi di genomica e ad avanzati modelli computazionali il team di ricerca coordinato dal professor Martello - in collaborazione con il Tigem di Pozzuoli e lo European Molecular Biology Laboratory (EMBL) di Roma - ha caratterizzato una fase cruciale della vita delle cellule staminali pluripotenti, identificando uno dei suoi attori protagonisti, nella speranza di comprendere come mai, senza di esso, le cellule vadano incontro a un destino diverso da quello suggerito. “Conoscere i segnali che regolano il differenziamento ci permetterà di affinare il processo di preparazione delle cellule per fare in modo che il prodotto finale funzioni meglio”, conclude Martello. “Tutto ciò allo scopo di acquisire maggiori conoscenze in vari contesti di studio, non necessariamente legati a un’unica malattia di riferimento”.
