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Ogni cosa al tempo giusto: intervista con Davide De Pietri Tonelli

Il ruolo della regolazione genetica nello sviluppo del linguaggio.


di David Vagni

Un gruppo di ricerca dell´Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), guidato da Davide De Pietri Tonelli, ha recentemente studiato il ruolo regolatorio del micro-RNA, fino a pochi anni fa considerato “spazzatura”, per lo sviluppo del cervello, gettando luce sulla regolazione di un gene implicato nello sviluppo del linguaggio e nell´autismo.




Di cosa si occupa il suo gruppo di ricerca?


Il mio gruppo si occupa ormai da 5 anni della ricerca sui micro-RNA, piccole parti di DNA che non codificano proteine; in particolare studiamo il loro ruolo nella costituzione delle reti di neuroni presenti nella corteccia cerebrale. Questi RNA non codificanti sono venuti alla ribalta nel 2001 (Lagos-quintana 2001; 2002 and Mourelatos 2002) quando si è scoperto che erano presenti anche nell´uomo. Prima di allora sembrava una cosa relegata ad organismi più semplici e meno rilevanti per le implicazioni cliniche.


Parliamo dell´RNA che deriva da quei segmenti di DNA che inizialmente venivano chiamati “spazzatura” e che formano in realtà la maggior parte del nostro patrimonio genetico?


Si, in realtà i micro-RNA sono solo un sottotipo di questi RNA non codificanti, ce ne sono molti altri e altri saranno ancora da scoprire. Gli studi funzionali ci terranno occupati per anni, mentre oggi sono numerosi gli studi di sequenziamento che stanno scoprendo tratti di RNA che prima non si conoscevano e si stanno cercando i segmenti di genoma che le codificano.


Qual è il ruolo dei micro-RNA per lo sviluppo ed in particolare per il cervello? Dal punto di vista funzionale siamo veramente all´inizio. Quello che pensiamo è che tutte le strade biologiche, comprese quelle dello sviluppo neurologico, siano sotto il controllo dei micro-RNA. Ci sono studi che dicono che circa il 60% dei geni umani sono in qualche modo controllati da questi micro-RNA.
Nei primi stadi dello sviluppo del cervello, come ad esempio durante la crescita del tubo neurale, le cellule progenitrici sono in forte espansione. In questa fase, si è visto che le cellule progenitrici sono meno collegate alla regolazione dei micro-RNA. Al contrario, un nostro studio pubblicato nel 2008 (De Pietri Tonelli et al., 2008) ha mostrato che in fasi successive dello sviluppo ovvero quando le cellule staminali cominciano a differenziare, sono sotto il controllo dei micro-RNA. Pensiamo pertanto che Il ruolo di regolazione dei microRNA sia particolarmente attivo durante le fasi di transizione. Infatti, quando una cellula smette di eseguire un compito abituale, il suo programma base, e lo deve cambiare per diventare qualcosa di diverso, deve spengere tutta una serie di geni che lo mantengono in proliferazione e deve accendere altri geni che lo portano alla trasformazione. Il ruolo principale dei micro-RNA è nella regolazione di questo processo. Uno studio pubblicato nel 2008 ha mostrato che le cellule staminali sono sotto il controllo dei micro-RNA, ma questi sono particolarmente attivi durante la differenziazione.
Un altro capitolo consiste nel capire cosa succede quando una cellula deve smettere di differenziarsi, ad esempio per diventare un neurone, ed i micro-RNA sono difettosi per un qualsiasi motivo. Si è visto che questo può portare alla crescita di tumori, non a caso questi tipi di micro-RNA sono stati chiamati oncogenici.
Ci sono diverse ricerche che stanno emergendo ma stiamo ancora alla superficie.


Tornando nello specifico del vostro studio: cosa stavate cercando e cosa avete trovato?


Nel nostro studio stavamo cercando di capire quali sono i geni regolati dai micro-RNA durante lo sviluppo del cervello ed in particolare nella neocorteccia che è la parte del cervello che dà origine ad i comportamenti più complessi e recenti da un punto di vista evolutivo.
Un micro-RNA può regolare fino a 100, 1000 geni, ma al momento non si conoscono. Noi abbiamo usato un approccio molto basilare. Abbiamo eliminato tutti i micro-RNA durante lo sviluppo della neocorteccia. Dopo di ché abbiamo utilizzato delle tecniche di micro-array, che sono delle tecniche che permettono di capire come cambia l´espressione dei geni in un campione biologico. Abbiamo identificato circa 3.000 geni che sono espressi in modo differente a seconda che siano presenti o meno i micro-RNA. Questa è un´indicazione che questi geni sono dipendenti, in qualche modo, da questa strada biologica.
Poiché in uno studio preliminare (De Pietri Tonelli et al., 2008) avevamo visto che il difetto più importante riguardava la maturazione ed il differenziamento dei neuroni, ci siamo concentrati sui geni che regolavano questo aspetto. Tra questi abbiamo trovato un gene in particolare, il FOXP2, che è implicato nell´autismo.


Il FOXP2 è molto studiato nell´ambito della ricerca genetica sull´autismo ed in particolare per quanto riguarda i problemi di linguaggio, e le sue modifiche sono anche relativamente diffuse (circa 1% dei casi) rispetto ad altri geni studiati. Voi avete studiato delle cavie murine (topi). I topi non hanno il linguaggio. Relativamente ad un gene che per l´essere umano è legato allo sviluppo linguistico qual è la differenza tra noi ed i topi e quanto sono generalizzabili questi risultati?


Il 99% dei geni codificanti sono in comune tra topo e uomo. La differenza più importante nel gene FOXP2 tra la variante murina e quella umana è in tre soli amminoacidi, tre triplette di basi. Tra l´uomo e lo scimpanzé ci sono solo due aminoacidi differenti, ma esempio un solo aminoacido di differenza rispetto all´Uomo di Neanderthal.
Dal punto di vista della sequenza codificante di FOXP2, un singolo amminoacido fa la differenza tra parlare e non parlare. Anche se questo non è propriamente vero, un mio collaboratore che sta a Lipsia, Wolfgang Ehnard, il ricercatore che ha identificato la proteina evoluta nell´uomo, ha provato ad inserirla nel genoma del topo e questo continuava a squittire!


Peccato, quindi il topo non parlava…


Vocalizzava in maniera differente.


Vocalizzava in maniera differente, interessante.


Si, in questo studio pubblicato su Cell, si è dimostrato che i topi modificati cambiavano il tipo di vocalizzazioni nell´ultrasuono e quindi il loro modo di comunicare. Non parlavano, però è qualche cosa!
Tornando al nostro studio, la sequenza che noi abbiamo identificato, la sequenza regolatoria, che sta a valle della sequenza codificante la proteina, è altamente conservata da un punto di vista evolutivo. Il messaggero per FOXP2 è composto da circa 6.000 basi, di cui 2.000 codificano per la proteina, quella che si è evoluta, mentre gli altri 4.000 codificano la sequenza regolatoria, che è conservata dai pesci fino all´uomo. È quindi plausibile che questa sequenza ed i micro-RNA che la controllano (anch´essi conservati) siano molto importanti per l´uomo e diano effetti ben visibili se modificati.


A livello neurologico quali differenze avete notato rispetto all´assenza di questo micro-RNA?


Il nostro modello non è un modello genetico, ovvero non ci siamo basati su un topo modificato in modo permanente, ma abbiamo studiato questa regolazione genetica su modelli murini modificati in maniera acuta, o transiente, andando a bloccare i micro-RNA ed a modificare le sequenza regolatoria di FOXP2.. Normalmente questa sequenza limita l´espressione di FOXP2, in quanto non ne deve consentire l´espressione fintanto che tutta la “macchina” non è pronta per stabilire le connessioni corrette. Ora, se FOXP2 si esprime prima del tempo i neuroni non riescono a migrare nella posizione finale della corteccia e si connettono male. Lo sviluppo della corteccia richiede una tempistica molto precisa e tutto deve essere molto coordinato.


È possibile che in un futuro queste ricerche sulla regolazione dell´espressione genetica possano portare a farmaci in grado di attivare e disattivare i geni in modo da sopperire ad eventuali problemi durante lo sviluppo?


Ovviamente non ho una risposta, però posso farti degli esempi. In primo luogo bisogna considerare che il cervello è un sistema molto chiuso a causa della barriera ematoencefalica che rende molto difficile l´accesso al cervello attraverso i vasi sanguigni anche da parte di virus (che potrebbero essere usati come vettori per portarvi dentro delle sostanze). Detto questo, essendo una malattia dello sviluppo sarebbe ancora più difficile intervenire, perché bisognerebbe agire sul feto. Però in altri campi, come nelle patologie del fegato, organo molto più accessibile, stanno studiando come veicolare micro-RNA sintetici per curare ad esempio i tumori; studio condotto da altri gruppi nel nostro Istituto. Una ditta estera sta studiando una crema per la cura del melanoma basata su una tecnologia simile. Questi micro-RNA sono “sfruttabili” ma sono anche molto degradabili ed avendo una carica elettrica non sono recepiti passivamente dalle cellule ma vanno trasportati. Quindi l´idea c´è, ma bisogna, per quanto riguarda il cervello, affrontare due problemi: la tempistica ed il trasporto.



(SOPRA) L´analisi di MicroRNA codificato all´interno di quello che si credeva “DNA spazzatura” può rivelare più di quanto immaginato. (CENTRO) I MicroRNA reprimono il gene Foxp2 permettendo la corretta maturazione dei neuroni e la loro migrazione nel cervello in sviluppo. (SOTTO) Tale azione permette il corretto sviluppo e funzionamento sia degli organi coinvolti nella produzione del linguaggio verbale, sia del circuito cortico-basale, che è la struttura del cervello che controlla la produzione del linguaggio.


Ovviamente se da qui a qualche anno si scopriranno dei farmaci in grado di regolare i micro-RNA in quel caso sarebbe molto più semplice agire.


Le analisi che avete svolto per individuare questi micro-RNA sono disponibili per il pubblico al fine di effettuare diagnosi?


Esistono già molti studi a livello diagnostico. I micro-RNA sono ad oggi considerati tra i biomarker più promettenti per molte patologie in quanto si possono trovare all´interno dei fluidi corporei.


Quindi non è necessaria una vera e propria analisi genetica?


Si trovano liberi nel sangue e nel liquido amniotico, e possono essere purificati e studiati con metodi accessibili a molti istituti diagnostici, il problema è capire quali micro-RNA siano importanti per quali patologie. Allo stato attuale comunque quello che troviamo nel sangue è molto filtrato e quindi è come osservare il mondo da una piccola finestra. Penso comunque che sicuramente ci sarà un ottimo sviluppo, nel futuro, una volta compreso quali micro-RNA cercare per le diverse patologie fisiche e condizioni psichiatriche.


Grazie per il suo tempo e per i chiarimenti, attendiamo presto nuove notizie.


Davide De Pietri Tonelli. Laureato in Biologia Molecolare e cellulare presso l´Università di Milano e dottorato in neurobiologia all´Università di Varese. Ha lavorato presso il San Raffaele di Milano sul controllo post-transcizionale dell´espressione genetica e successivamente al Max-Planck Institute di Genetica e Biologia Molecolare dove ha iniziato a studiare il controllo dei microRNA sulla Neurogenesi. Attualmente è capo progetto al dipartimento di Neuroscienze e tecnologie del cervello presso l´IIT.




L´Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), è una Fondazione di diritto privato istituita congiuntamente dal Ministero dell´Istruzione, dell´Università e della Ricerca e dal Ministero dell´Economia e delle Finanze, con l´obiettivo di promuovere l´eccellenza nella ricerca di base e in quella applicata e di favorire lo sviluppo del sistema economico nazionale. Lo staff complessivo di IIT conta oggi 1087 persone, con un´età media di 34 anni e dove il 41% dei ricercatori proviene dall´estero: per il 24% stranieri da 38 Paesi e per il 17% italiani rientrati. Le ricerche condotte sono di carattere altamente innovativo eaffrontano sfide tecnologiche e scientifiche di frontiera in settori come le neuroscienze, la robotica e le nanotecnologie.Dal 2009 l´attività scientifica è stata ulteriormente rafforzata con la creazione di dieci centri di ricerca nel territorio nazionale (a Torino, Milano, Trento, Parma, Roma, Pisa, Napoli, Lecce) che, unitamente al Laboratorio Centrale di Genova, sviluppano il piano scientifico 2012-2014 . Per maggiori informazioni è disponibile il sito: www.iit.it.


La ricerca originale di cui abbiamo parlato è reperibile qui:
Convergent repression of Foxp2 3′UTR by miR-9 and miR-132 in embryonic mouse neocortex: implications for radial migration of neurons. Yoanne M. Clovis, Wolfgang Enard, Federica Marinaro, Wieland B. Huttner3and Davide De Pietri Tonelli. Development 2012 Set 15, 139, 3332-3342.


Referenze:

  1. Identification of novel genes coding for small expressed RNAs. Lagos-Quintana M, Rauhut R, Lendeckel W, Tuschl T. Science. 2001 Oct 26;294(5543):853-8.
  2. Identification of tissue-specific microRNAs from mouse. Lagos-Quintana M, Rauhut R, Yalcin A, Meyer J, Lendeckel W, Tuschl T. Curr Biol. 2002 Apr 30;12(9):735-9.
  3. miRNPs: a novel class of ribonucleoproteins containing numerous microRNAs. Mourelatos Z, Dostie J, Paushkin S, Sharma A, Charroux B, Abel L, Rappsilber J, Mann M, Dreyfuss G. Genes Dev. 2002 Mar 15;16(6):720-8.
  4. miRNAs are essential for survival and differentiation of newborn neurons but not for expansion of neural progenitors during early neurogenesis in the mouse embryonic neocortex. De Pietri Tonelli D, Pulvers JN, Haffner C, Murchison EP, Hannon GJ, Huttner WB. Development. 2008 Dec;135(23):3911-21.
  5. A humanized version of Foxp2 affects cortico-basal ganglia circuits in mice. Enard W, Gehre S, Hammerschmidt K, Hölter SM, Blass T, Somel M, Brückner MK, Schreiweis C, Winter C, Sohr R, Becker L, Wiebe V, Nickel B, Giger T, Müller U, Groszer M, Adler T, Aguilar A, Bolle I, Calzada-Wack J, Dalke C, Ehrhardt N, Favor J, Fuchs H, Gailus-Durner V, Hans W, Hölzlwimmer G, Javaheri A, Kalaydjiev S, Kallnik M, Kling E, Kunder S, Mossbrugger I, Naton B, Racz I, Rathkolb B, Rozman J, Schrewe A, Busch DH, Graw J, Ivandic B, Klingenspor M, Klopstock T, Ollert M, Quintanilla-Martinez L, Schulz H, Wolf E, Wurst W, Zimmer A, Fisher SE, Morgenstern R, Arendt T, de Angelis MH, Fischer J, Schwarz J, Pääbo S. Cell. 2009 May 29;137(5):961-71.

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