Epigenomica. Dalla ricerca Santa Lucia una metodologia per studiare le interazioni tra genoma e RNA | Fondazione Santa Lucia

Epigenomica. Dalla ricerca Santa Lucia una metodologia per studiare le interazioni tra genoma e RNA

Dal Laboratorio di Epigenetica e Riprogrammazione del Genoma della Fondazione, in collaborazione con il Karolinska Institutet (Svezia), il Riken (Giappone) e il Kaust (Arabia Saudita), una tecnologia in grado di identificare le relazioni tra RNA e DNA per comprenderne il ruolo in malattie neurologiche e neurodegenerative

Nella comunità scientifica e non solo è ormai noto che il DNA, la molecola-scrigno dell’informazione genetica, non rappresenta un codice immutabile ma reagisce significativamente alle influenze ambientali.

Pur non essendo alterata la struttura del DNA, dunque, il comportamento dei geni interagisce dinamicamente con fattori esterni, attraverso meccanismi che stanno alla base dell’acquisizione e della conservazione dell’identità cellulare. L’Epigenetica è la scienza che studia questi processi.

Alla Fondazione Santa Lucia, il Laboratorio di Epigenetica e Riprogrammazione del Genoma guidato dal Prof. Valerio Orlando, conduce la propria attività di ricerca con particolare attenzione alle basi molecolari delle malattie neuromuscolari e all’identificazione di marcatori per la diagnostica e di processi regolativi che possano indicare nuove strategie terapeutiche, attraverso tecnologie come la genomica, la bioinformatica, la proteomica e la metabolomica.

Frutto dell’attività dei ricercatori del Laboratorio è lo studio RADICL-seq identifies general and cell type-specific principles of genome-wide RNA-chromatin interactions, recentemente apparso su Nature Communications. Ne abbiamo parlato con il Prof. Orlando e con la biologa Juliette Gimenez, tra gli autori della pubblicazione.

 

Qual è il contesto di partenza di questo lavoro?

È acquisizione relativamente recente che la maggior parte dell’informazione genetica contenuta nel nostro Genoma (DNA) espressa come RNA non viene tradotta in proteine. Questo avviene infatti solo per il 5% del totale codificato dal DNA. Il resto, definito “RNA non-codificante” costituisce circa il 70% del DNA genomico.

Particolari classi di questi RNA restano associate ai cromosomi, determinando una componente epigenetica la cui funzione è ancora sconosciuta. Poiché però molti di questi RNA risultano alterati per eccesso o per difetto in diversi contesti patologici, in particolare in malattie neurologiche e neurodegenerative, sviluppare tecnologie che consentano di comprenderne i meccanismi può fare la differenza.

Come la tecnologia RADICL-Seq. Di che si tratta?

Sì, è proprio l’applicazione di questa metodologia di indagine l’oggetto di questo studio.  RADICL-Seq – acronimo di RNA And DNA Interacting Complexes Ligated and Sequenced – è una tecnologia in grado di identificare le interazioni fra RNA e DNA sull’intero genoma direttamente nei nuclei intatti, e i siti di legame genomici di tutti gli RNA associati alla cromatina in vivo.

RADICL-Seq è stato applicato su due tipi di cellule diversi: cellule neurali progenitrici di oligodendrociti (mOPCs) e cellule staminali embrionali (mESCs). Abbiamo visto che una frazione sostanziale delle interazioni catturate presentano una specificità cellulare, cioè che esistono soltanto in uno dei tipi di cellule ma non nell’altro. RADICL-Seq ha anche permesso di vedere che determinati RNA espressi in entrambi i tipi cellulari, presentano delle differenze drastiche di legame alla cromatina: in altre parole, vanno a “colpire”, ovvero regolare, geni bersaglio diversi, mettendo in evidenza delle reti geniche diverse. È il caso per esempio di Neat1 e Malat1, lncRNA noti e implicati nella regolazione di particolari strutture nel nucleo, difettose in numerose patologie.

SI può dire quindi che il lavoro fornisce per la prima volta un quadro virtualmente completo delle varie classi di RNA presenti nel nucleo delle cellule, rivelando l’importanza anche di classi di RNA “ripetute” prima definite come junk (spazzatura) fisiologica, ma che costituiscono ben 50% del genoma. 

Cosa avete visto?

Una visione d’insieme degli RNA regolatori sui siti bersaglio nel genoma.  Ovvero la fotografia in vivo della loro distribuzione, sui cromosomi che consente l’individuazione delle reti genetiche che possono – potenzialmente – regolare.

Quali patologie può riguardare il risultato di questo studio?

Il ruolo degli RNA non-codificanti nella regolazione genica è universale, e i difetti nella loro funzione si associano a numerose patologie, incluse appunto quelle neurologiche e neurodegenerative. La mappatura in vivo dei siti bersaglio, permettendo di verificare quali reti di geni sono regolate o alterati dagli RNA non-codificanti, consentirà di indagare la loro funzione diretta nelle patologie.

Questa ricerca è esito di un’ampia collaborazione internazionale.

Sì, insieme al nostro team hanno lavorato a questo studio ricercatori del Karolinska Institutet (Svezia), del RIKEN (Giappone), e del KAUST (Arabia Saudita), dove il Centro di Epigenetica Ambientale è diretto dal Prof. Orlando.

Anche quella con il RIKEN è una collaborazione consolidata: il Laboratorio di Epigenetica e Riprogrammazione del Genoma della Fondazione Santa Lucia è membro del Consorzio Fantom presso il Centro di Genomica dell’Istituto giapponese, uno dei poli più avanzati nel mondo per la ricerca sul genoma.

Quali sono i possibili futuri sviluppi di questa indagine?

Nel nostro laboratorio stiamo mettendo a punto una versione ancora più sofisticata di questa tecnologia, in grado di ottenere informazioni dirette non solo sui punti nei quali agiscono gli RNA, ma anche a quali componenti proteici sono associate queste azioni, con l’obiettivo di ottenere un quadro funzionale completo.