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    Nessuna bacchetta magica richiesta:gli scienziati propongono un modo per trasformare qualsiasi cellula in qualsiasi altro tipo di cellula

    Credito:CC0 Dominio Pubblico

    Nelle favole, tutto quello che serve per trasformare una rana in un principe, un servo in una principessa o un topo in un cavallo è l'onda di una bacchetta magica.

    Ma nel mondo reale, trasformare un essere vivente in un altro non è così facile. Solo negli ultimi anni gli scienziati hanno scoperto come farlo, con minuscole cellule viventi individuali.

    Infatti, la squadra che l'ha scoperto ha vinto il premio Nobel, per aver scoperto come prendere una normale cellula della pelle umana e trasformarla in una cellula staminale, lo stesso tipo di cellula che si trova negli embrioni. Con uno sforzo scrupoloso, tali cellule possono crescere fino a diventare qualsiasi altro tipo di cellula del corpo.

    E nell'ultimo decennio, quella tecnica di trasformazione che richiede tempo ha aperto la porta a scoperte su molte malattie, dai difetti congeniti al cancro.

    Ma cosa accadrebbe se gli scienziati potessero fare un passo, e passare direttamente dalla cellula della pelle a qualsiasi altro tipo di cellula?

    Un nuovo giornale in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze stabilisce un modo per farlo - ed evita tutti i passaggi intermedi coinvolti nell'altra tecnica, che produce cellule staminali pluripotenti indotte.

    Nella carta, tracciano un modo per sfruttare la ricchezza di dati ora disponibili sull'attività del DNA, e riprogrammare le cellule direttamente. La formula fornisce anche un modello per determinare la combinazione ottimale di fattori e quando dovrebbero essere aggiunti per realizzare questa riprogrammazione. Usando questa formula, gli autori sono stati in grado di dedurre i fattori che il team vincitore del Nobel ha scoperto, un processo che ha richiesto molti anni di tentativi ed errori.

    Il concetto, sviluppato da un team di scienziati dell'Università del Michigan insieme a colleghi dell'Università del Maryland e dell'Università di Harvard, combina le informazioni biologiche sulla struttura del genoma e l'espressione genica con un bel po' di matematica, utilizzando un approccio chiamato controllo guidato dai dati. Gli autori del documento includono Roger Brockett, dottorato di ricerca di Harvard e il presidente del dipartimento di matematica dell'Università di Cambridge Anthony Bloch, dottorato di ricerca

    Sebbene il documento definisca un algoritmo per trasformare le cellule e preveda con successo fattori che sono già noti per riprogrammare le cellule, non testa direttamente la formula in laboratorio. Gli autori hanno in programma di testare ulteriormente il loro metodo, e spero che possa essere provato dagli scienziati del Michigan e di tutto il mondo.

    Se porta frutto, prevedono che potrebbe avere applicazioni tra cui la rigenerazione di tessuti malati o persi, e combattere il cancro.

    "Le cellule del nostro corpo si specializzano naturalmente, "dice Indika Rajapakse, dottorato di ricerca, il ricercatore di bioinformatica e matematica dell'UM che è autore senior del nuovo articolo. "Quello che proponiamo potrebbe fornire una scorciatoia per fare lo stesso, per aiutare qualsiasi cellula a diventare un tipo di cellula mirato".

    Rajapakse osserva che l'idea della riprogrammazione diretta non è nuova. Alla fine degli anni '80, un team guidato dal defunto scienziato Harold Weintraub ha trasformato le cellule della pelle direttamente in cellule muscolari bagnando le cellule in un tipo di molecola che incoraggiava la "lettura" di alcuni geni nel DNA delle cellule. Rajapakse si è allenato con il collega di Weintraub Mark Groudine, dottorato di ricerca al Fred Hutchinson Cancer Research Center.

    Il nuovo modello si basa su quell'idea, sfruttando anche la potenza di queste molecole, chiamati fattori di trascrizione o TF.

    Ma invece di bagnare l'intera coltura cellulare in un TF, gli scienziati mirano a colpire le cellule con specifici TF in momenti cruciali specifici della loro vita. Presentano un modello di controllo matematico per sfruttare tutte le informazioni che ora possono essere apprese sulle cellule a livello molecolare, e combinandolo per mappare i tempi e la sequenza per l'iniezione di TF per ottenere il tipo di cellula desiderato.

    "Abbiamo così tanti dati ora dall'attività dell'RNA e del fattore di trascrizione, e dai dati Hi-C della configurazione cromosomica che ci dice quanto spesso due pezzi di cromatina sono vicini l'uno all'altro, che crediamo di poter passare dalla configurazione iniziale della cella alla configurazione desiderata, "dice Rajapakse.

    La tecnica Hi-C consente agli scienziati di tracciare la posizione di, e il contatto tra, porzioni del complesso DNA/proteine ​​chiamate cromatina. Quindi, anche se due geni si trovano molto distanti su un lungo filamento di DNA, possono entrare in stretto contatto l'uno con l'altro quando quelli in loop, i fili pieghevoli finiscono uno accanto all'altro. Se uno di quei geni viene "letto", può produrre un fattore di trascrizione che poi mette in moto la "lettura" dell'altro gene, e la produzione di una certa proteina che svolge un ruolo chiave nella trasformazione della cellula in qualche modo.

    La quantità di dati che deriverebbero dall'analisi di questi "domini di associazione topologica" in un solo tipo di cellula è enorme. Ma le moderne tecniche di bioinformatica rendono più facile dare un senso a tutto ciò.

    Il primo autore dell'articolo è Scott Ronquist, un dottorato di ricerca studente che ha iniziato a lavorare con Rajapakse nel dipartimento di medicina computazionale e bioinformatica come studente universitario alla UM. Lui e l'ex borsista post-dottorato Geoff Patterson, dottorato di ricerca, ha guidato lo sforzo di utilizzare l'espressione genica e i dati TAD generati nel laboratorio Rajapakse e l'espressione genica e i dati TF disponibili pubblicamente per testare il loro modello. Sono stati in grado di vedere modelli nei dati che riflettevano il ritmo della normale differenziazione cellulare.

    Ora, stanno lavorando per testare il modello in modo proattivo, nel laboratorio di Max Wicha, M.D., il Professore Forbes di Oncologia alla Michigan Medicine, centro medico accademico di UM, ed ex direttore dell'U-M Comprehensive Cancer Center.

    "Questo algoritmo fornisce un progetto che ha importanti implicazioni per il cancro, in quanto pensiamo che le cellule staminali del cancro possano derivare da cellule staminali normali attraverso percorsi di riprogrammazione simili, "dice Wicha, che è coautore del documento PNAS. "Questo lavoro ha importanti implicazioni anche per la medicina rigenerativa e l'ingegneria dei tessuti, poiché fornisce un modello per generare qualsiasi tipo di cellula desiderato, dimostra anche la bellezza di combinare matematica e biologia per svelare i misteri della natura".


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