Rilievo clinico della regolazione della trascrizione nella corteccia umana
NICOLE CARDON
NOTE
E NOTIZIE - Anno XIII – 17 gennaio 2015.
Testi pubblicati sul sito
www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind
& Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a
fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta
settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in
corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di
studio dei soci componenti lo staff dei
recensori della Commissione Scientifica
della Società.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
L’analisi dell’insieme di tutti gli mRNA trascritti (trascrittoma) nelle cellule nervose dell’encefalo o, come vuole il gergo dei neurogenetisti, la trascrittomica cerebrale, fornisce elementi conoscitivi di assoluta importanza per la comprensione dei meccanismi di sviluppo, ma anche, come si rileva con sempre maggiore frequenza, per la comprensione dell’eziopatogenesi delle malattie neurologiche e psichiatriche.
Vale la pena
ricordare che il termine trascrittoma,
coniato in analogia con genoma, proteoma e metaboloma, cioè con termini
indicanti l’insieme di elementi in precedenza studiati singolarmente, indica il
complesso di tutte le molecole di mRNA trascritte dal DNA di un organismo, di
un organo, di un sistema, di un tipo cellulare o di una singola cellula.
L’analisi del suo profilo è limitata dalle annotazioni attualmente esistenti
dei prodotti genici, pertanto il prezioso lavoro di sequenziamento dei trascrittomi di campioni provenienti
dalla corteccia cerebrale prefrontale,
realizzato da Andrew E. Jaffe e colleghi, merita grande attenzione. La
corteccia prefrontale è la regione cerebrale di maggiore interesse per le
funzioni di alto livello cognitivo, pertanto si comprende il rilievo per le
neuroscienze e per la clinica del suo studio alla risoluzione della singola
base in sei diverse età della vita [Jaffe
A. E., et al. Developmental regulation of human cortex transcription and its clinical
relevance at single base resolution. Nature
Neuroscience – Epub ahead of print DOI:doi:10.1038/nn.3898 (online,
Dec. 15, 2014), 2015].
La provenienza degli autori dello
studio è la seguente: Lieber Department of Biostatistics, Johns Hopkins
Bloomberg School of Public Health, Baltimore, Maryland (USA); Departments of Psychiatry,
Neuroscience, Neurology, Biological Sciences, Johns Hopkins School of Medicine,
Baltimore, Maryland (USA); McKusick-Nathans Institute of Genetic Medicine, Johns
Hopkins School of Medicine, Baltimore, Maryland (USA); Department of
Biostatistics & Department of Mental Health, Johns Hopkins Bloomberg School
of Public Health, Baltimore, Maryland (USA).
La trascrizione è il processo mediante il quale la cellula trasferisce in molecole di RNA l’informazione codificata nei geni del DNA genomico mediante triplette nucleotidiche corrispondenti agli aminoacidi del polipeptide che sarà sintetizzato. L’RNA prodotto, detto messaggero (mRNA) perché porta dal nucleo al citoplasma l’informazione necessaria alla sintesi proteica, è un polimero lineare con la stessa sequenza nucleotidica del gene (con l’eccezione dell’Uracile al posto della Timina) che le oltre 100 proteine dell’apparato trascrizionale, con al centro l’RNA polimerasi II, possono riprodurre migliaia di volte. Infatti, la trascrizione può essere considerata come un processo di amplificazione che dà luogo a migliaia di molecole di mRNA da un singolo gene. La traduzione, il processo che traduce il codice nucleotidico di DNA ed RNA in aminoacidi costituenti le proteine, in questa ottica può essere considerata il secondo processo di amplificazione dopo quello trascrizionale. Infatti, porta alla sintesi di centinaia di copie di una proteina da un singolo “stampo” di mRNA. In tal modo, grazie a trascrizione e traduzione, da un solo gene si producono centinaia di migliaia di unità della stessa molecola polipeptidica. È evidente l’importanza della regolazione della trascrizione per la presenza e la quantità di una determinata proteina nella cellula. Se si riflette su questa nozione, è facile rendersi conto di quanto tutto il profilo di espressione di un neurone, che caratterizza il suo funzionamento, dipenda dalla regolazione di questo processo.
In tempi relativamente recenti è stato apprezzato un aspetto della risposta trascrizionale relativo alla struttura cromatinica del gene: si tratta dei co-regolatori della trascrizione, co-attivatori o co-repressori che agiscono al livello della struttura cromatinica del gene. Il DNA degli eucarioti è avvolto da un complesso di proteine basiche dette istoni, che formano un insieme con l’acido nucleico detto nucleosoma. I nucleosomi formano la struttura cromatinica del gene e del genoma, e sono composti di 4 proteine istoniche (H2A, H2B, H3 e H4) cui si aggiunge una quinta che facilita l’avvolgimento della cromatina (H1). Una parte accessibile dell’istone, comunemente chiamato “coda”, è il bersaglio di modificazioni quali acetilazione, metilazione, ubiquitinazione e fosforilazione, che possono modificare funzionalmente il genoma senza alterare la sequenza nucleotidica.
Ma il processo di gran lunga più studiato è la regolazione della trascrizione da parte dei fattori di trascrizione che, direttamente o attraverso una proteina intermedia, si legano ad una particolare regione del DNA detta cis-regolatoria. Studi approfonditi sono stati condotti su corticosteroidi ed AMP-ciclico come fattori di trascrizione. Per avere un’idea di quale influenza può avere sul sistema nervoso centrale un fattore di trascrizione, si può considerare l’esempio di FOXP2[1].
Si deve ricordare che se l’analisi dell’espressione di un particolare gene si è avvalsa e si avvale con profitto della tecnica che impiega microarray, il sistema di sequenziamento “NextGen” si è rivelato ideale per fornire dati sulla risposta trascrizionale di una cellula in una determinata circostanza.
I fattori di trascrizione hanno un ruolo importante nell’omeostasi cellulare e sono responsabili dell’avvio dei programmi delle cellule. Uno degli esempi più rilevanti a dimostrazione del potere dei fattori di trascrizione è costituito dalle decisioni sul destino delle cellule durante la differenziazione e la specializzazione funzionale. Nel sistema nervoso centrale, e nel cervello in particolare, il ruolo specializzato dei singoli tipi cellulari è di cruciale importanza per la funzione neurologica e per il comportamento in tutti i suoi aspetti, dalla più semplice integrazione senso-motoria al pensiero umano. I fattori di trascrizione agiscono guidando i progenitori neurali verso la differenziazione che porterà le singole cellule ad assumere tutti i caratteri strutturali e funzionali del tipo maturo previsto in quell’area dal piano di sviluppo genetico.
Durante questo processo le cellule progenitrici assumono una prima importante direttiva e direzione di sviluppo, quella della linea cellulare, che potrà essere gliale o neurale. Al livello molecolare questa decisione è spesso un processo complesso, che implica l’intervento di un insieme di fattori di trascrizione e di stimoli ambientali che si combinano per dare luogo a “missioni differenziative” internamente costituite da passi coerenti e distinte le une dalle altre. Per assicurare processi neurogenetici appropriati, i programmi cellulari propongono alla cellula una serie di scelte, che possiamo rappresentare in un percorso temporale come il seguire una via obbligata fino a dei checkpoints, dove la presenza o l’assenza di particolari fattori di trascrizione è cruciale per la determinazione della direzione da prendere nel tratto successivo di sviluppo. Un esempio classico, è quello dell’espressione di Sox2 nelle cellule in corso di sviluppo del midollo spinale di pollo: l’assenza di espressione di questo fattore nelle cellule progenitrici giunte al checkpoint le indirizza verso la differenziazione in neuroblasti.
Il potere di Sox2 nel mantenere le cellule staminali nello stato di totipotenza è stato sfruttato per la riprogrammazione cellulare. Iper-esprimendo Sox2 in cellule somatiche con altri fattori di trascrizione (ad es.: c-Myc, Oct3/4 e Klf4) è stato possibile riprogrammare artificialmente cellule già differenziate per ottenere elementi con le caratteristiche della “staminalità”. Queste cellule chiamate cellule staminali pluripotenti indotte o cellule iPS (da induced pluripotent stem) conservano la potenzialità di differenziarsi virtualmente in qualsiasi tipo cellulare, in dipendenza degli stimoli ambientali cui sono sottoposte.
La possibilità di modificare il fenotipo della cellula mediante l’uso di fattori di trascrizione, come illustrato dalle cellule iPS, suggerisce una pleiotropia del fenotipo cellulare che si manifesta al livello del trascrittoma. Infatti, un altro approccio di rimodellamento del fenotipo basato esclusivamente sul trascrittoma, è il TIPeR (Transcriptome Induced Phenotype Remodeling). Con questa procedura il trascrittoma di una cellula è isolato e trasferito in un'altra cellula, consentendo la realizzazione di vari modelli sperimentali. Allo stato attuale delle conoscenze è evidente l’importanza del trascrittoma nel definire il profilo fenotipico di una cellula e si comprende come il processo di trascrizione sia considerato un potenziale bersaglio per nuovi farmaci.
Andrew Jaffe, con Daniel Weinberger e numerosi altri colleghi della Johns Hopkins School of Medicine, ha lavorato su 72 campioni corticali provenienti dalla regione prefrontale umana di soggetti appartenenti a sei diversi stadi della vita, sequenziandone il trascrittoma. In tal modo, i ricercatori hanno identificato 50650 regioni di espressione differenziale (DER, da differentially expression regions) associate con lo sviluppo e con l’invecchiamento, prive di precedenti annotazioni[2].
Mentre molte DER sono annotate come sequenze non esoniche (41,1%), la maggior parte era regolata in modo simile nell’mRNA citosolico estratto da campioni indipendenti. Le DER risultavano conservate nello sviluppo per 16 regioni cerebrali e nella corteccia cerebrale del topo in corso di sviluppo, ed erano espresse in differenti cellule e tipi di tessuto. Le DER sono inoltre risultate ricche di varianti geniche associate con disturbi neuroevolutivi e psichiatrici anche gravi e, in particolare, con la psicosi schizofrenica.
Infine, Jaffe e colleghi hanno dimostrato quantitativamente che queste DER si associano con un fenotipo neuronale che muta in rapporto con la differenziazione e la maturazione.
Nel complesso i dati emersi dallo studio, per il cui dettaglio si rinvia al testo del lavoro originale, dimostrano che contrassegni molecolari delle dinamiche trascrizionali, conservati durante lo sviluppo del cervello, hanno un potenziale rilievo clinico ed evidenziano l’incompleta annotazione del trascrittoma cerebrale umano.
L’autrice della nota ringrazia la
professoressa Diane Richmond, con la quale ha discusso l’argomento trattato, e
la dottoressa Isabella Floriani per la collaborazione nell’estensione del testo,
e invita alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella
sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina
“CERCA”).
[1] Si veda “FOXP2 e la parola” nella sezione “IN CORSO” del sito.
[2] Le annotazioni prevedono l’identificazione di geni potenzialmente codificanti una o più proteine. Questo processo viene effettuato mediante algoritmi di ricerca in grado di identificare, mediante il confronto con informazioni presenti in specifiche “banche dati” consultabili mediante internet, le sequenze dette ORF (open reading frame) costituite da triplette codificanti proteine.