Capire i meccanismi dell’invecchiamento. Il ruolo del DNA, della membrana nucleare che lo racchiude e le ricadute sull’organismo. Lo si può fare anche studiando due malattie rare, la Progeria e la Distrofia muscolare di Emery-Dreifuss.

di Chiara Lanzuolo

Più di un milione di persone in Italia e circa 400 milioni di persone nel mondo (circa il 5 per cento della popolazione totale) soffre di una malattia rara. Da questo calcolo sono esclusi i tumori rari e le malattie che derivano da infezioni virali o batteriche. Quindi, nel campo delle malattie rare, l’utilizzo del termine “raro” è fuorviante perché porta erroneamente a pensare che non possa colpire noi stessi o i nostri cari.

Il DNA, nella sua sequenza, contiene le informazioni grazie a cui tutte le cellule dell’individuo svolgono il loro compito specifico. Alterazioni di questa sequenza possono innescare patologie “genetiche” che, alterando la funzione delle cellule, possono dare origine a malattie rare. Negli ultimi anni la scienza ha fatto enormi progressi grazie all’invenzione di tecnologie a supporto dello studio del DNA che hanno aumentato la risoluzione degli studi. Basta pensare che: l’intero DNA di un individuo, oggi, può essere interamente decodificato in poche ore grazie alle tecniche di sequenziamento massivo. Anche nel campo delle malattie rare, l’utilizzo di queste tecnologie, ha facilmente permesso l’identificazione delle mutazioni del DNA che innescano le patologie. Nonostante questi incredibili strumenti a nostra disposizione, che vent’anni fa non esistevano, c’è ancora molta strada da fare, perché in alcuni casi l’aver trovato la mutazione non è stato sufficiente per spiegare il quadro clinico. Inoltre, individui della stessa famiglia, che presentano la stessa mutazione, possono avere quadri clinici non coincidenti. Quindi, adesso che si lavora su un livello di precisione più alto, il focus della ricerca è stato spostato alle caratteristiche dei singoli individui e si parla di “medicina personalizzata”. Negli ultimi cinquant’anni è cambiata la visione del DNA nel nucleo: ciò che prima era stata definita come una “massa disordinata” di DNA si è rivelata essere una struttura altamente organizzata. Con tecniche sempre più precise sappiamo ora che il DNA, contenuto nel nucleo delle cellule, può assumere conformazioni diverse fondamentali per la sua funzione, favorendo o sfavorendo l’accesso ai vari geni, ovvero i segmenti che contengono le istruzioni per la sintesi delle proteine. Quindi, in ogni istante, in una singola cellula del nostro organismo, solo una piccolissima parte del DNA viene utilizzata per produrre tutte le molecole che servono. Grazie a questo meccanismo, le cellule di uno stesso organismo pur avendo il medesimo DNA, presentano aspetto e funzioni diverse. Un esempio emblematico è rappresentato dal differenziamento delle cellule staminali, a partire dalle quali si generano tutte le cellule dell’organismo: durante questo processo, cioè quando le cellule acquisiscono le loro caratteristiche distintive trasformandosi in cellule specializzate, il DNA cambia progressivamente forma per permettere la lettura di alcuni suoi specifici segmenti. I processi che permettono al DNA di cambiare la sua forma per favorire l’utilizzo di nuovi segmenti e lo spegnimento di altri sono altamente dinamici e consentono alle cellule non solo di cambiare e specializzarsi nei normali processi di sviluppo, ma anche di reagire all’ambiente e alle malattie. Questo significa che la forma tridimensionale del DNA cambia continuamente e lo fa grazie ad alcuni fattori chiamati regolatori epigenetici. Tuttavia, il DNA, per ripiegarsi nel giusto orientamento, ha anche i suoi riferimenti nelle strutture del nucleo che lo ospita, per cui alcuni specifici segmenti di DNA sono legati a delle strutture nucleari come la membrana. La presenza di un ordine preciso, in quello che è da sempre stato considerato disordinato, è una scoperta che ha stupito molti scienziati e li ha resi consapevoli che: per comprendere tutti gli aspetti delle malattie e le reazioni dei singoli individui alla malattia stessa, non basta più studiare l’intera sequenza del DNA, ma serve studiare anche la forma che il DNA assume all’interno del nucleo.

La membrana del nucleo è formata da diverse proteine, tra queste le lamine sono direttamente in grado di modellare la forma tridimensionale del DNA. Questo perché il DNA è ancorato alla membrana nucleare in punti specifici chiamati “Lamin Associated Domains”. Mutazioni genetiche delle lamine influenzano la forma del DNA e causano malattie rare che, nel loro insieme, si chiamano laminopatie. Anche in questo caso individui diversi, che presentano la stessa mutazione del DNA, possono presentare aspetti diversi nello sviluppo della malattia. Anche la gravità può essere diversa da paziente a paziente. Nel nostro laboratorio studiamo due laminopatie entrambe causate da una singola mutazione della lamina nucleare: la distrofia muscolare di Emery Dreifuss e l’Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome, più comunemente chiamata Progeria. La distrofia muscolare di Emery Dreifuss è una malattia che colpisce il muscolo scheletrico e cardiaco. Gli individui affetti da questa malattia nascono sani e sviluppano progressivamente un indebolimento dei muscoli che alla fine portano alla morte prematura, il più delle volte dovuta a un problema cardiaco. Studiando il modello murino abbiamo dimostrato che i topi distrofici durante la crescita hanno difficoltà a generare un muscolo integro. Gli studi molecolari hanno permesso di capire che le cellule staminali muscolari, che normalmente provvedono alla costruzione del muscolo durante la crescita o al ricambio delle fibre danneggiate, non funzionano correttamente. Gli studi sulla struttura del DNA hanno chiarito che, nel topo distrofico, le cellule staminali muscolari presentano una forma che porta a una lettura di segmenti sbagliati e a una deviazione dal programma muscolare per andare incontro a destini errati e verso un invecchiamento prematuro. Questi difetti determinano un impoverimento della staminalità e quindi della capacità rigenerativa del muscolo. La progeria è una sindrome rara che colpisce i bambini, accelerando il processo di invecchiamento e riducendone drasticamente l’aspettativa di vita. Un difetto genetico nel gene della Lamina A determina una distorsione nella forma del DNA e il suo conseguente malfunzionamento. Anche in questo caso abbiamo scoperto che le alterazioni della forma del DNA portano a una “crisi d’identità” della cellula che non riesce più a svolgere correttamente le sue funzioni. Gli studi sono stati eseguiti con il supporto di una nuova tecnologia nata e sviluppata nei nostri laboratori, la SAMMY-seq. Il nome SAMMY sta per “Sequential Analysis of MacroMolecules accessibilitY” (analisi sequenziale di accessibilità delle macromolecole), ma è anche un omaggio a Sammy Basso, il biologo italiano affetto da Progeria, la cui associazione ha permesso di rendere nota questa malattia in Italia. Questa tecnologia permette lo studio della struttura del DNA sfruttando le sue differenze chimico-fisiche, secondo le quali i segmenti del DNA funzionanti sono più accessibili di quelli non funzionanti. Mediante l’utilizzo della SAMMY-seq siamo riusciti a identificare nelle cellule di individui progerici, i segmenti di DNA che non hanno la corretta struttura e funzione. Ognuno di noi è il risultato delle persone che ha incontrato nella vita, soprattutto di quelle che hanno lasciato il segno. Questo è particolarmente vero per gli scienziati che utilizzano le critiche e i commenti di altri scienziati e collaboratori per sviluppare le loro idee. Nel mio caso, la spinta che mi ha fatto dedicare allo studio delle malattie rare è stato l’incontro con i pazienti, tra i quali Sammy Basso che, con la sua energia e voglia di vivere, ha cambiato la mia prospettiva.

Chiara Lanzuolo, Biologa ITB-CNR presso Istituto Nazionale di Genetica Molecolare di Milano

Per saperne di più:

Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome

Cause: La malattia è causata da una mutazione puntiforme nel gene della Lamina A. La Lamina A è una proteina della membrana nucleare presente nella maggior parte delle cellule dell’organismo. La mutazione crea un processamento sbagliato dell’RNA (splicing alternativo) che produce una proteina tronca che si chiama progerina. La progerina si accumula nella membrana nucleare e crea delle distorsioni di membrana che si riflettono sul funzionamento del DNA.

Sintomi: I bambini affetti da HGPS mostrano un invecchiamento prematuro di tutti i tessuti

Cure: Nel novembre del 2020 l’FDA ha approvato il primo farmaco per i bambini progerici, il Lonafarnib, un inibitore della farnesyl trasferasi, un enzima della catena di maturazione della Lamina A.

Emery Dreifuss Muscular Dystrophy

Cause: La malattia è causata da una mutazione nel gene della Lamina A o di altre proteine che compongono la membrana nucleare. È una malattia ereditaria.

Sintomi: I bambini affetti da EDMD mostrano contratture articolari, progressivo indebolimento dei muscoli e cardiomiopatie. Il numero e la gravità dei sintomi possono essere molto variabili anche all’interno della stessa famiglia.

Cure: Al momento non esistono cure se non palliative, come trattamenti correttivi per la scoliosi, pacemaker per i problemi cardiaci, esercizi fisici per evitare le contratture.