Cosa hanno rivelato i maiali che ai topi era sfuggito sulla malattia di Huntington

La malattia di Huntington (MH) inizia con una modifica in un solo gene, la huntingtina (HTTHTT Una abbreviazione per il gene che causa la malattia di Huntington. Lo stesso gene é chiamato HD e IT-15), ma i suoi effetti si diffondono all’interno delle cellule e in tutto il cervello e il corpo. Un mistero di lunga data è il motivo per cui l’attività di migliaia di altri geni risulti alterata nel cervello affetto da MH.

Un nuovo studio condotto su maiali geneticamente modificati indica una possibile spiegazione. I ricercatori dell’Università Jinan di Guangzhou, in Cina, hanno riscontrato cambiamenti diffusi nelle decorazioni chimiche poste sul DNA (note come metilazione del DNA) che aiutano a controllare come i geni vengono accesi e spenti. Hanno ricondotto parte di questa alterazione a livelli più bassi di TET1, una proteina chiave che aiuta a gestire le decorazioni del DNA.

Una caratteristica sorprendente ma importante di questo lavoro è che i ricercatori hanno osservato questi cambiamenti di TET1 nei maiali con MH, ma non nei topi con MH. Quindi questo studio ci ricorda che a volte, quando si tratta di comprendere le malattie umane, i modelli animali più grandi possono rivelare aspetti biologici che un topo potrebbe non mostrare.

Una mutazione, migliaia di conseguenze

La MH ha un punto di partenza genetico insolitamente chiaro. Un tratto di DNA contenente le lettere CAG viene ripetuto troppe volte all’interno del gene della huntingtina. Il gene espanso produce una versione extra-lunga della proteina huntingtinaProteina huntingtina Proteina prodotta dal gene della MH.. Purtroppo, tutto ciò che accade dopo è molto meno semplice. La huntingtina espansa interferisce con un lungo elenco di attività all’interno delle cellule. Influenza il modo in cui le proteine vengono gestite, come le cellule producono energia, come comunicano i neuroni e, cosa importante per questa storia, quali geni vengono accesi e spenti.

Gli scienziati sanno da anni che l’attività genetica risulta scombussolata nella MH. Alcuni geni diventano insolitamente silenziosi, altri insolitamente rumorosi. Ma questo solleva una domanda fondamentale: come può la mutazione di un solo gene finire per disturbare migliaia di altri?

Un nuovo studio di Xie e colleghi, pubblicato su Cell Reports, suggerisce che la risposta possa coinvolgere un altro livello di informazioni scritte sopra il nostro DNA. Benvenuti nel meraviglioso mondo dell’epigenetica!

Il DNA è dotato di foglietti adesivi

Pensa al DNA come a un gigantesco manuale di istruzioni. Ogni cellula del tuo corpo possiede essenzialmente lo stesso manuale. Una cellula cerebrale, una cellula del fegato e una cellula della pelle contengono istruzioni genetiche quasi identiche. Eppure funzionano in modo completamente diverso. Questo perché le cellule non leggono ogni pagina allo stesso modo. Un modo in cui le cellule controllano quali geni sono attivi è attaccando minuscole decorazioni chimiche al DNA. Una delle più studiate è chiamata metilazione del DNA, in cui dei tag chimici chiamati gruppi metilici vengono aggiunti al DNA.

Puoi pensare a queste etichette come a dei foglietti adesivi molecolari. A seconda di dove vengono posizionati, possono influenzare se una particolare istruzione genetica sia facile o difficile da usare per la cellula.

Il nuovo studio si è concentrato principalmente su due di queste decorazioni chimiche, chiamate 5mC e 5hmC. Le cellule possono regolare l’equilibrio tra loro e una proteina chiave che aiuta a farlo è chiamata TET1. La TET1 converte la 5mC in 5hmC, aiutando a rimodellare lo schema delle informazioni chimiche che si trovano sopra il DNA.

Cosa succede quindi a quei foglietti adesivi nella malattia di Huntington? Secondo questo studio, succede parecchio.

Il cervello del maiale con MH ha foglietti adesivi disordinati

Per comprendere meglio la MH in un cervello più grande, gli scienziati hanno studiato questi foglietti adesivi chimici in maiali geneticamente modificati. Questi maiali portano una sequenza di huntingtina umana espansa inserita nel gene della huntingtina suina. I ricercatori hanno riscontrato differenze diffuse nelle decorazioni del DNA tra i maiali con MH e i maiali sani. Complessivamente, la 5mC è aumentata mentre la 5hmC è diminuita, in particolare nello striato, la regione più gravemente colpita dalla MH.

Quando il team ha esaminato il genomaGenoma Nome dato all’ insieme dei geni che contengono le istruzioni complete per formare una persona o un altro organismo in modo più dettagliato, ha trovato migliaia di geni alterati nei maiali con MH. Non si trattava di geni casuali; molti erano coinvolti in attività importanti per i neuroni, tra cui l’uso di energia, la segnalazione e la comunicazione. In breve, i foglietti adesivi molecolari erano stati riorganizzati su tutto il DNA nei maiali con MH.

La domanda successiva era: chi ha pasticciato con i Post-it?

Vi presentiamo TET1, l’editor molecolare dei foglietti adesivi

Diverse proteine controllano le decorazioni del DNA, così gli scienziati hanno misurato l’abbondanza di un gruppo di esse nel cervello dei maiali con MH. Una spiccava sulle altre: TET1. I livelli di TET1 erano drasticamente ridotti nel cervello dei maiali con MH. Cosa ancora più interessante, i livelli di TET1 erano già più bassi in diverse regioni cerebrali in maiali con MH molto giovani, prima ancora che apparissero i sintomi evidenti della malattia. La riduzione era particolarmente chiara nello striato e diventava più marcata con l’età.

La tempistica osservata è fondamentale. Se la TET1 scomparisse solo dopo che i neuroni sono stati gravemente compromessi, potrebbe essere considerata un danno collaterale lasciato dopo che la MH ha già fatto il suo lavoro. Ma trovare questo cambiamento già a due mesi di età solleva la possibilità che la TET1 sia coinvolta all’inizio del processo della malattia.

È interessante notare che, quando gli scienziati hanno aumentato artificialmente la TET1 in cellule coltivate che portavano la huntingtina espansa, alcuni cambiamenti anomali nell’espressione genica sono tornati verso la normalità. Questo non prova che il ripristino della TET1 possa curare direttamente la MH, ma fornisce un indizio importante del fatto che la TET1 non stia semplicemente a guardare in disparte.

Questa osservazione lasciava comunque un mistero più grande: perché la TET1 stava scomparendo, tanto per cominciare? Questo ha portato a quella che è forse la parte più interessante della storia.

La huntingtina ruba la chiave

Per produrre la proteina TET1, le cellule si affidano a una proteina chiamata TBP per aiutare ad accendere il gene TET1. Pensa alla TBP come al dipendente con la chiave necessaria per aprire il cancello principale di una fabbrica. La TBP arriva alla fabbrica TET1, apre il cancello e segnala alla fabbrica di iniziare a produrre TET1.

Gli scienziati hanno scoperto che la huntingtina espansa si aggrappa alla TBP in modo insolitamente forte, lasciando meno TBP disponibile per accendere la TET1. Quindi la huntingtina espansa potrebbe essenzialmente tenere occupato il custode delle chiavi (TBP). Ciò suggerisce una reazione a catena: la huntingtina espansa blocca la TBP, la produzione di TET1 cala, le decorazioni del DNA cambiano e l’attività di molti altri geni viene interrotta. Questa da sola sarebbe una scoperta interessante, ma poi il team ha guardato nei topi – e le cose si sono complicate.

Il topo nella stanza

Poi è arrivata la sorpresa. Quando i ricercatori hanno esaminato i topi con MH, si aspettavano di vedere la stessa diminuzione di TET1 osservata nei maiali. Non è stato così. Persino i topi con MH più anziani non mostravano un calo paragonabile di TET1. Potrebbe sembrare una delusione sperimentale. Invece, è diventata una delle osservazioni più interessanti di questo studio.

I ricercatori si sono posti una domanda semplice: perché vedevano risultati diversi nei maiali e nei topi? La risposta sembra risiedere nel DNA che controlla il gene TET1. Nei maiali e negli esseri umani, questa regione contiene molti punti in cui la TBP può legarsi; nei topi, ne contiene molti meno.

Le fabbriche di TET1 umane e suine sembrano dipendere fortemente dai cancelli aperti dalla TBP. La fabbrica del topo è cablata in modo diverso e potrebbe utilizzare un’altra entrata che non richiede la TBP. Se la huntingtina mutante ruba la TBP, i sistemi TET1 umani e suini potrebbero quindi essere particolarmente vulnerabili, mentre la versione del topo potrebbe continuare a funzionare in modo relativamente normale.

Questo potrebbe spiegare perché questo percorso molecolare sia stato difficile da vedere nei modelli tradizionali di topo con MH, fino ad ora.

A volte un maiale rivela più di un topo

Cosa importante, questo lavoro illustra qualcosa che gli scienziati a volte dimenticano quando passano anni a lavorare con i topi: il cervello di un topo non è semplicemente un cervello umano in miniatura.

I topi sono stati estremamente preziosi per la ricerca sulla MH. Sono relativamente economici, si riproducono rapidamente e possono essere modificati geneticamente in modi sofisticati. Ma l’evoluzione ha passato decine di milioni di anni a cambiare le clausole scritte in piccolo nei loro genomi. I maiali hanno cervelli più grandi, con ripiegamenti più simili a quelli umani e periodi di sviluppo più lunghi. Per questa particolare questione biologica, il gene TET1 nei maiali assomiglia anche di più al nostro.

Lo stesso cambiamento genetico della huntingtina può quindi atterrare in due quartieri molecolari piuttosto diversi. I ricercatori hanno riscontrato cambiamenti sostanzialmente maggiori nella metilazione del DNA e nell’attività genica nei maiali con MH rispetto a topi con MH comparabili. Ciò dimostra come lo stesso gene della malattia possa creare effetti a valle diversi a seconda della specie.

Questa potrebbe essere una delle lezioni più ampie dell’articolo. I modelli animali possono essere pensati come mappe diverse dello stesso territorio. Alcune mappe sono eccellenti per rispondere a una domanda e scarse per un’altra. In questo caso, il maiale può rivelare una strada che semplicemente non è disegnata sulla mappa del topo.

Perché questo è importante per la MH

Questo lavoro fornisce un possibile ponte tra due cose che i ricercatori sanno sulla MH da molto tempo: i) la huntingtina espansa cambia l’attività di molti geni, e ii) le “decorazioni” del DNA sono alterate nella MH. La catena che coinvolge TBP e TET1 potrebbe collegare le due cose, sollevando alcune intriganti domande terapeutiche. I ricercatori potrebbero impedire alla huntingtina mutante di afferrare la TBP, ripristinare l’attività della TET1 o correggere i cambiamenti nelle decorazioni del DNA per aiutare i neuroni vulnerabili?

Queste possibilità sono ancora speculative, quindi la TET1 va considerata come una nuova pista nell’indagine, non come un nuovo trattamento, e occorre lavorare ancora per testare il suo potenziale terapeutico. Molti degli esperimenti in questo articolo hanno confrontato solo tre maiali con MH con tre controlli, non hanno esaminato le differenze tra maschi e femmine e hanno utilizzato maiali con 150 CAG – molti di più dei 40-50 portati dalla maggior parte delle persone con MH a esordio adulto.

Studi futuri dovranno determinare se questo percorso operi nei neuroni umani, se contribuisca direttamente al malessere dei neuroni e se prenderlo come bersaglio possa proteggerli. Anche con queste domande senza risposta, lo studio fornisce una nuova intrigante spiegazione di come una proteina mutante possa creare il caos tra migliaia di geni. E in questo caso, c’è voluto un maiale per aiutare gli scienziati a vederlo.

Riassunto

• La malattia di Huntington inizia con una ripetizione CAG espansa nel gene HTTHTT Una abbreviazione per il gene che causa la malattia di Huntington. Lo stesso gene é chiamato HD e IT-15, ma la huntingtina mutante causa cambiamenti diffusi nell’attività di molti altri geni.
• I maiali con MH hanno mostrato cambiamenti importanti nella metilazione del DNA, segni chimici che aiutano a regolare quali geni vengono usati dalle cellule. Questi cambiamenti erano particolarmente evidenti nello striato.
• Una proteina chiamata TET1, che aiuta a modificare questi segni del DNA, risultava ridotta nei maiali con MH prima della comparsa dei sintomi.
• I ricercatori hanno scoperto che la huntingtina mutante si lega in modo insolitamente forte alla TBP, una proteina che aiuta ad accendere il gene TET1. Meno TBP disponibile significa che viene prodotta meno TET1.
• Sorprendentemente, lo stesso effetto non è stato osservato nei topi con MH. I geni TET1 umani e suini contengono molti siti di legame per la TBP, mentre la versione del topo ne ha molti meno.
• Lo studio evidenzia una lezione importante: diversi modelli animali possono rivelare diversi tasselli della biologia della malattia di Huntington.
• I risultati non dimostrano ancora che il ripristino della TET1 o il blocco del legame tra huntingtina mutante e TBP possano curare la MH. Questi esperimenti devono ancora essere eseguiti.