Lo sviluppo embrionale segue fasi delicate: perché tutto vada bene, molti geni devono coordinare la loro attività secondo uno schema e un tempo molto meticolosi.
Questo meccanismo di precisione a volte fallisce, portando a malformazioni più o meno invalidanti. Studiando il gene Pitx1, uno dei geni coinvolti nella costruzione degli arti inferiori, un team dell'Università di Ginevra (UNIGE) ha scoperto come un piccolo disturbo nel processo di attivazione di questo gene sia all'origine del piede torto, una comune malformazione del piede. In effetti, anche un gene completamente funzionante non può agire correttamente senza uno dei suoi interruttori genetici. Queste brevi sequenze di DNA forniscono il segnale per la trascrizione del DNA in RNA e sono essenziali per questo meccanismo. E quando manca solo uno di questi interruttori, la proporzione di cellule in cui il gene è attivo diminuisce, impedendo la corretta costruzione degli arti inferiori. Questi risultati, pubblicati sulla rivista Nature Communications, evidenziano il ruolo finora ampiamente sottovalutato degli interruttori genetici nei disturbi dello sviluppo.
Durante lo sviluppo embrionale, centinaia di geni devono essere attivati o repressi con precisione affinché gli organi si sviluppino correttamente. Questo controllo dell'attività è diretto da brevi sequenze di DNA che, legandosi a determinate proteine nel nucleo cellulare, agiscono come veri e propri interruttori ON/OFF. «Quando l'interruttore è acceso, avvia la trascrizione di un gene in RNA, che a sua volta viene tradotto in una proteina che può quindi svolgere un compito specifico- spiega Guillaume Andrey, professore presso il Dipartimento di Medicina genetica e dello sviluppo alla Facoltà di Medicina UNIGE, che ha guidato questa ricerca- Senza questo, i geni rimarrebbero continuamente accesi o spenti, e quindi incapaci di agire selettivamente, nel posto giusto e al momento giusto».
In generale, ogni gene ha diversi interruttori, per garantire che il meccanismo sia robusto. «Ma la perdita di uno di questi switch potrebbe avere delle conseguenze? È quello che abbiamo voluto testare qui prendendo come modello il gene Pitx1, il cui ruolo nella costruzione degli arti inferiori è ben noto», dice Raquel Rouco, ricercatrice post-dottorato nel laboratorio di Guillaume Andrey e co-autrice di questo studio.
Una diminuzione dell'attivazione cellulare porta al piede torto
Per fare ciò, gli scienziati hanno modificato le cellule staminali di topo, utilizzando lo strumento di ingegneria genetica CRISPR-CAS 9, che consente di aggiungere o rimuovere elementi specifici del genoma. «Qui abbiamo rimosso uno degli interruttori di Pitx1, chiamato Pen, e aggiunto un marker di fluorescenza, che ci permette di visualizzare l'attivazione del gene- spiega Olimpia Bompadre, dottoranda del gruppo di ricerca e co-autrice- Queste cellule modificate vengono poi aggregate con cellule embrionali di topo, per consentirci di studiarne le prime fasi di sviluppo».
Di solito, circa il 90% delle cellule nelle gambe future attiva il gene Pitx1, mentre il 10% delle cellule no. «Tuttavia, quando abbiamo rimosso l'interruttore Pen, abbiamo scoperto che la proporzione di cellule che non hanno attivato Pitx1 è aumentata dal 10 al 20%, il che è stato sufficiente per modificare la costruzione del sistema muscolo-scheletrico e per indurre un piede torto», prosegue Guillaume Andrey . Infatti, la proporzione di cellule inattive è aumentata particolarmente nelle cellule immature degli arti inferiori e nel tessuto connettivo irregolare, indispensabile per la costruzione dell'apparato locomotore.
Lo stesso meccanismo in molti geni
Oltre al gene Pitx1 e al piede torto, gli scienziati dell'UNIGE hanno scoperto un principio generale, il cui meccanismo potrebbe essere trovato in un gran numero di geni. Gli interruttori genetici difettosi potrebbero quindi essere all'origine di numerose malformazioni o malattie dello sviluppo. Inoltre, un gene non controlla lo sviluppo di un singolo organo nel corpo, ma di solito è coinvolto nella costruzione di un'ampia gamma di organi. «Una malformazione non letale, come ad esempio il piede torto, potrebbe essere un indicatore di disturbi in altre parti del corpo che, pur non essendo immediatamente visibili, potrebbero essere molto più pericolosi. Se potessimo interpretare accuratamente l'azione di ogni mutazione, potremmo non solo leggere le informazioni nel genoma, per trovare la causa principale di una malformazione, ma anche prevedere gli effetti in altri organi, che si svilupperebbero silenziosamente, per intervenire il prima possibile», concludono i ricercatori.
Nature Communications: Cell-specific alterations in Pitx1 regulatory landscape 1 activation caused 2 by the loss of a single enhancer. DOI: 10.1038/s41467-021-27492-1
Antonio Caperna
