Una proteina chiave per convertire le cellule staminali adulte in cellule che assomigliano alle cellule staminali embrionali è stata visualizzata con dettagli senza precedenti da un team internazionale di ricercatori attorno a Hans Schöler e Vlad Cojocaru del Max Planck Institute for Molecular Biomedicine di Münster. Combinando esperimenti e simulazioni al computer, il team ha visualizzato come la proteina Oct4 si lega e apre brevi frammenti di DNA mentre è avvolta attorno alle proteine ​​di stoccaggio nucleare (istoni), proprio come nel nostro genoma. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nucleic Acids Research il 22 settembre.

Le cellule adulte possono essere convertite in cellule simili a cellule staminali embrionali (cellule pluripotenti indotte, iPSC) utilizzando un cocktail di sole quattro proteine. Negli ultimi anni, questa tecnologia di riprogrammazione cellulare ha contribuito immensamente alla modellazione delle malattie, allo sviluppo di farmaci e alle terapie di sostituzione cellulare. Tuttavia, molte domande sui meccanismi molecolari di questa conversione rimangono senza risposta. Ad esempio, un passaggio essenziale è l'apertura del DNA nelle cellule da convertire. Ciascuna delle nostre cellule contiene circa due metri di DNA racchiuso in una struttura nota come cromatina. Nella cromatina, il DNA è strettamente avvolto attorno agli istoni in unità strutturali ripetute note come nucleosomi. Quindi, come fanno queste quattro proteine ​​ad aprire il DNA quando sono espresse nelle cellule adulte?

4 ottobre:​​un regolatore pionieristico delle cellule staminali pluripotenti

Tre delle quattro proteine ​​sono state descritte come fattori di trascrizione pionieri, nel senso che si legano a specifiche sequenze di DNA mentre sono avvolte in nucleosomi e hanno la capacità di aprire direttamente o indirettamente la cromatina. Tra i tre, Oct4 si distingue perché è essenziale per il mantenimento delle cellule staminali embrionali di diverse specie e per la riprogrammazione delle cellule umane. Oct4 è stato scoperto alla fine degli anni '80 da Hans Schöler all'incirca nello stesso periodo di altri due laboratori ed è l'unico fattore insostituibile nel cocktail vincitore del Premio Nobel di Shinya Yamanaka per la riprogrammazione di cellule adulte in cellule pluripotenti. Circa 10 anni fa, Abdenour Soufi e Ken Zaret descrissero regioni di DNA impacchettato che sono legate da Oct4 nelle prime fasi della riprogrammazione.

Caitlin MacCarthy, un post-dottorato nel gruppo di Hans Schöler e uno dei principali autori dello studio, ha fornito gli esperimenti in laboratorio umido. Riflettendo sul suo lavoro, MacCarthy spiega:"Gli esperimenti sono stati più impegnativi di quanto ci aspettassimo. Lavorare con nucleosomi genomici o nativi diventa piuttosto tecnico perché sono altamente dinamici, a differenza delle sequenze ingegnerizzate che sono più stabili. Tuttavia, siamo stati in grado di mostrare esattamente dove Oct4 si lega a loro". Quindi cosa succede quando Oct4 lega i nucleosomi?

Nanoscopio computazionale

Per rispondere a questo, Jan Huertas, anche uno dei principali autori dello studio, ha fornito le simulazioni che ha eseguito durante il suo dottorato di ricerca. studi presso MPI Münster. Lui e Vlad Cojocaru hanno utilizzato il nanoscopio computazionale per visualizzare come Oct4 si lega ai nucleosomi e influisce sulla loro struttura. Il termine nanoscopio computazionale viene utilizzato dai ricercatori per riferirsi a un insieme di metodi di simulazione al computer che consentono loro di visualizzare i movimenti delle molecole nel tempo.

L'accuratezza di questi metodi è ora così elevata che si può immaginare di osservare le molecole con un microscopio ad altissima risoluzione. I nucleosomi, come tutte le strutture macromolecolari nelle nostre cellule, sono dinamici. Si muovono, si attorcigliano, respirano, si aprono e si avvolgono di nuovo. Visualizzare questi movimenti negli esperimenti è spesso impossibile. Huertas spiega:"È così sorprendente poter osservare queste grandi strutture molecolari con tutti i loro atomi muoversi sul computer e sapere che ciò che si vede è molto simile a ciò che accade effettivamente".

Oct4 apre i nucleosomi

Nei film in tempo reale dei complessi Oct4-nucleosoma che hanno generato, ciascuno dei quali mostra da 1 a 3 microsecondi della vita del complesso, Huertas e Cojocaru hanno osservato come Oct4 è in grado di aprire i nucleosomi. Hanno descritto in dettaglio atomico i meccanismi di questa apertura confrontando i movimenti dei nucleosomi liberi e legati a Oct4.

È interessante notare che l'apertura dipendeva dalla posizione della sequenza di DNA riconosciuta da Oct4 sul nucleosoma e dalla mobilità delle regioni flessibili terminali degli istoni, note come code di istoni.

Verso la comprensione dei fattori pionieri e delle conversioni del destino cellulare

I ricercatori sono entusiasti delle implicazioni del loro lavoro e delle prospettive future. Cojocaru, ora ricercatore di spicco presso l'Università Babeş-Bolyai che ricopre anche incarichi come ricercatore senior presso l'Università di Utrecht e scienziato in visita presso l'MPI Münster afferma:"Mostriamo qui per la prima volta in dettaglio atomico non solo come Oct4 si lega a diversi nucleosomi, ma anche come il legame di Oct4 con le code dell'istone influenzi la flessibilità strutturale di questi nucleosomi".

MacCarthy aggiunge che "perché le code dell'istone, come i fattori pionieri, sono anche regolatori chiave dell'espressione genica. Mentre i fattori pionieri si legano al DNA per aprire la cromatina e attivare i geni, le code dell'istone portano modifiche chimiche che definiscono le regioni della cromatina aperta da cui i geni può essere espresso."

Huertas spiega inoltre che "fino ad ora, è stato un mistero come le code dell'istone influenzino la capacità dei fattori pionieri di legare e aprire nucleosomi. Il nostro lavoro apre la strada a studi futuri di altri fattori pionieri, molti dei quali sono fondamentali per le trasformazioni cellulari, comprese le conversioni del destino cellulare e il cancro".

Cojocaru afferma:"Il meccanismo che descriviamo qui colma una lacuna di conoscenza nella comprensione di come fattori come Oct4 inducono le transizioni del destino cellulare. La comprensione di questi meccanismi alla fine fornirà i mezzi per ottimizzare e controllare tali transizioni per un uso efficace nelle terapie. E le simulazioni al computer saranno al centro di queste scoperte future". + Esplora ulteriormente

Le simulazioni al computer visualizzano come viene riconosciuto il DNA per convertire le cellule in cellule staminali