La rigenerazione di cardiomiociti è controllata dall’azione combinata di tre geni

cuore - Foto di Judith HakzeE’ stata identificata la chiave che innesca il processo di generazione di nuove cellule cardiache. Un passo in avanti verso la messa a punto di una terapia a base di cellule staminali per la cura delle malattie cardiache, che potrebbe alleviare, in futuro, la richiesta di trapianti di organi, eliminare il rischio di rigetto e la necessità di farmaci anti-rigetto.

Presso il Gladstone Institute of Cardiovascular Disease è stata individuata una combinazione di tre geni la cui azione stabilisce un valido meccanismo di controllo nel processo di differenziazione cellulare e nella riprogrammazione della genesi di nuovi cardiomiociti.

Secondo il gruppo di ricercatori, guidati da Benoit Bruneau, la chiave del differenziamento delle cellule staminali in cardiomiociti starebbe nell’azione combinata di tre geni, BAF60c, GATA4 e TBX5.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Nature.

Due di questi tre geni codificano per dei fattori di trascrizione, i principali regolatori del processo di espressione genica, il cui legame al DNA permette di ”accendere” o “spegnere” i geni cardiaci.

Mutazioni a carico dei due fattori di trascrizione, Tbx5 e Gata4, causano severi danni al cuore.

Il terzo gene, Baf60c, è una subunità proteica del complesso cromatinico BAF, espressa solo nel cuore, che funge in maniera essenziale da mediatore nel legame di Tbx5 e Gata4 al DNA.

Capire come un cuore diventa cuore, in che modo alcune linee cellulari decidono di differenziarsi in cellule cardiache e quali processi morfogenetici si manifestano durante l’assemblaggio delle singole componenti del cuore in un organo funzionale, è la linea di ricerca che vede impegnati Bruneau e il suo gruppo da diversi anni.
I loro studi sono rivolti in modo particolare a quei fattori che mediano il processo di regolazione genica.

I ricercatori del Gladstone Institute avevano già dimostrato in un precedente lavoro l’importanza dei complessi di rimodellamento della cromatina nella differenziazione cellulare e il ruolo essenziale della proteina baf60c in tali complessi.

Topi transgenici ottenuti mediante manipolazione dei geni cardiaci di interesse, con bassi livelli di complessi proteici, presentavano malattie cardiache comunemente riscontrate in alcuni pazienti umani in età pediatrica.
Partendo da queste osservazioni i ricercatori hanno pensato di approfondire le loro analisi su baf60c in modo da chiarire il ruolo che la proteina svolge nel processo di regolazione genica cardiaca.

Sembra proprio che baf60c abbia la capacità di svolgere la cromatina impacchettata, e che l’aggiunta di questa proteina permetta l’accesso di Tbx5 e Gata4 al DNA con conseguente trascrizione dei geni cardiaci.

Senza baf60c i due fattori di trascrizioni non sono in grado di trascrivere i geni cardiaci.

Gli esperimenti mostrano anche che, sebbene Gata4 e Baf60c siano in grado da soli di dare inizio all’espressione dei geni cardiaci non riescono però a garantire un tessuto contrattile.

Sarebbe quindi l’aggiunta del terzo gene, Tbx5, a garantire la funzionalità completa al tessuto cardiaco.

I ricercatori hanno quindi concluso che per poter generare dei cardiomiociti è essenziale un set minimo di regolatori trascrizionali.

“Questo rappresenta un passo significativo nella comprensione di come sia possibile creare nuove cellule che permettano di rigenerare un cuore danneggiato.
L’unione di questi tre fattori, rappresenta un valido meccanismo di controllo della differenziazione cellulare” sostiene Bruneau.

I risultati dello studio accendono la speranza che in un futuro non molto lontano sarà possibile curare un cuore danneggiato da un infarto con una semplice iniezione di cellule staminali autologhe, riducendo così i rischi di rigetto e azzerando qualsiasi problema etico legato all’uso di embrioni per le staminali.

Staminali e infarto del miocardio

La bassa capacità di rigenerazione dei cardiomiociti dopo un infarto accresce l’interesse da parte degli scienziati verso la scoperta di quei fattori in grado di regolare la sintesi di nuove cellule cardiache.

L’ultimo decennio ha visto affermarsi la teoria che propone le cellule staminali come candidate per una cura alternativa dell’infarto del miocardio, essendo queste in grado di differenziarsi in una qualsiasi cellula adulta, anche quella cardiaca.

È stato ampiamente dimostrato che cellule staminali prese dal midollo osseo sono in grado di sanare i tessuti cardiaci resi inerti da un infarto, se iniettate sul muscolo in tempi stretti dopo l’evento.

Ciò che però gli scienziati non hanno ancora chiarito è il meccanismo che permette a una staminale di decidere in quale cellula differenziarsi.

Recenti scoperte sostengono l’ipotesi che sarebbero le modifiche strutturali a carico della cromatina a determinare il destino e la funzione di una cellula.

La cromatina

Il DNA si trova nel nucleo sotto forma di una collana di perle, la cromatina. Si tratta di una struttura altamente dinamica che presenta regioni più condensate, eterocromatina, e altre meno, eucromatina, che riflettono una diversa condizione funzionale.
Lo stato meno condensato è attivamente trascritto, mentre lo stato eterocromatinico è di solito, trascrizionalmente inattivo.

Le perle di questa collana, i nucleosomi, sono degli aggregati di proteine chiamate istoni, avvolti da un doppio filamento di DNA, con la funzione di impacchettare la lunga molecola di DNA in una struttura condensata, che a sua volta andrà incontro a una serie di torsioni con conseguente formazione di molecole di DNA superavvolte.

La compattezza della cromatina è determinata dagli istoni e da una serie di modificazioni che hanno luogo dopo il processo di traduzione del DNA.

Gli istoni sono dotati di una coda amino-terminale che protrude dal nucleosoma e che può andare incontro a una serie di modificazioni, mediante reazioni di acetilazione e deacetilazione che causano, rispettivamente, un indebolimento o rafforzamento del legame tra DNA e istoni.
La struttura della cromatina è modificata anche da reazioni di metilazioni a carico del DNA e dall’azione di sistemi multiproteici, noti come complessi di rimodellamento della cromatina, che interagendo con le code istoniche inducono sottili cambiamenti conformazionali nei nucleosomi e una loro maggiore mobilità.

Il packaging del genoma sotto forma di cromatina crea delle barriere che restringono l’accesso agli enzimi che agiscono sul DNA.
La metilazione del DNA e le modificazioni a livello degli istoni, causano dei cambiamenti strutturali nella cromatina che rendono possibile l’accesso dei fattori di trascrizione al DNA e quindi l’attivazione o la repressione di geni target.

I fattori di trascrizione

I fattori di trascrizione (FT) sono tra i principali esponenti nel processo di regolazione dell’espressione genica.
Si tratta di proteine che controllano la trascrizione dell’acido desossiribonucleico (DNA) in acido ribonucleico (RNA) in grado di riconoscere sul cromosoma una sequenza specifica di DNA e di stimolare o reprimere la trascrizione del gene associato a quella sequenza.

Gli FT possono legarsi direttamente a sequenze specifiche del promotore o a proteine associate al promotore, alcuni invece possono riconoscere direttamente l’RNA polimerasi, l’enzima della trascrizione.

Gli FT legano il DNA in maniera sequenza-specifica, alcuni riconoscono elementi a monte del promotore e influenzano l’inizio della trascrizione solo al promotore al quale questi elementi sono legati. Altri fattori di trascrizione hanno invece come bersaglio siti all’interno di enhancer e influenzano la trascrizione di diversi geni contemporaneamente.

Glossario

Promotore: sequenza nucleotidica riconosciuta dall’RNA polimerasi necessaria per l’avvio della trascrizione
Enhancer: sequenza nucleotidica, situata a monte o a valle del gene che controlla, che aumenta notevolmente la frequenza di trascrizione.
Trascrizione: costituisce la prima fase di espressione genica. È il processo di sintesi del’RNA da parte di enzimi chiamati RNA polimerasi, che utilizzano l’informazione contenuta nel DNA come stampo per sintetizzare un gran numero di molecole più piccole di RNA.
Traduzione o sintesi proteica: rappresenta la seconda fase del processo di espressione genica, ossia di quel processo che converte il messaggio contenuto nel DNA in proteine. Il processo ha luogo sui ribosomi e utilizza l’informazione contenuta nell’RNA messaggero per poter sintetizzare le proteine.