Per decenni, un piccolo gruppo di ricercatori medici all'avanguardia ha studiato un sistema biochimico di codifica del DNA, che attiva o disattiva i geni. Molti lo hanno studiato nei batteri e ora alcuni ne hanno visto segni in piante, mosche e persino tumori del cervello umano. Tuttavia, secondo un nuovo studio dei ricercatori della Icahn School of Medicine del Monte Sinai, potrebbe esserci un intoppo:gran parte delle prove della sua presenza negli organismi superiori potrebbero essere dovute alla contaminazione batterica, difficile da individuare utilizzando gli attuali esperimenti sperimentali metodi.

Per affrontare questo problema, gli scienziati hanno creato un metodo di sequenziamento genico su misura che si basa su un nuovo algoritmo di apprendimento automatico per misurare con precisione la fonte e i livelli di DNA contrassegnato. Questo li ha aiutati a distinguere il DNA batterico da quello delle cellule umane e di altre cellule non batteriche. Mentre i risultati pubblicati su Scienza supportato l'idea che questo sistema possa trovarsi naturalmente in cellule non batteriche, i livelli erano molto più bassi di alcuni studi precedenti riportati ed erano facilmente distorti dalla contaminazione batterica o dagli attuali metodi sperimentali. Gli esperimenti sulle cellule tumorali del cervello umano hanno prodotto risultati simili.

"Spingere i confini della ricerca medica può essere impegnativo. A volte le idee sono così nuove che dobbiamo ripensare ai metodi sperimentali che utilizziamo per testarle", ha affermato Gang Fang, Ph.D., Professore Associato di Genetica e Scienze Genomiche presso Icahn Monte Sinai. "In questo studio, abbiamo sviluppato un nuovo metodo per misurare efficacemente questo segno del DNA in un'ampia varietà di specie e tipi di cellule. Ci auguriamo che questo aiuterà gli scienziati a scoprire i numerosi ruoli che questi processi possono svolgere nell'evoluzione e nelle malattie umane".

Lo studio si è concentrato sulla metilazione dell'adenina del DNA, una reazione biochimica che lega una sostanza chimica, chiamata gruppo metilico, a un'adenina, una delle quattro molecole costitutive utilizzate per costruire lunghi filamenti di DNA e codificare i geni. Questo può attivare "epigeneticamente" o silenziare i geni senza alterare effettivamente le sequenze di DNA. Ad esempio, è noto che la metilazione dell'adenina gioca un ruolo fondamentale nel modo in cui alcuni batteri si difendono dai virus.

Per decenni, gli scienziati hanno pensato che la metilazione dell'adenina avvenisse rigorosamente nei batteri, mentre le cellule umane e non batteriche facevano affidamento sulla metilazione di un diverso elemento costitutivo, la citosina, per regolare i geni. Poi, a partire dal 2015 circa, questa visione è cambiata. Gli scienziati hanno individuato alti livelli di metilazione dell'adenina nelle cellule di piante, mosche, topi e umane, suggerendo un ruolo più ampio per la reazione nel corso dell'evoluzione.

Tuttavia, gli scienziati che hanno eseguito questi esperimenti iniziali hanno dovuto affrontare difficili compromessi. Alcune tecniche utilizzate che possono misurare con precisione i livelli di metilazione dell'adenina da qualsiasi tipo di cellula ma non hanno la capacità di identificare da quale cellula proveniva ciascun frammento di DNA, mentre altri si basavano su metodi che possono individuare la metilazione in diversi tipi cellulari ma possono sovrastimare i livelli di reazione.

In questo studio, il team del Dr. Fang ha sviluppato un metodo chiamato 6mASCOPE che supera questi compromessi. In esso, il DNA viene estratto da un campione di tessuto o cellule e sminuzzato in brevi filamenti da proteine ​​chiamate enzimi. I filamenti vengono posti in pozzetti microscopici e trattati con enzimi che creano nuove copie di ogni filamento. Una macchina di sequenziamento avanzata misura quindi in tempo reale la velocità con cui ogni blocco costitutivo del nucleotide viene aggiunto a un nuovo filamento. Le adenine metilate ritardano leggermente questo processo. I risultati vengono quindi inseriti in un algoritmo di apprendimento automatico che i ricercatori hanno addestrato a stimare i livelli di metilazione dai dati di sequenziamento.

"Le sequenze di DNA ci hanno permesso di identificare in quali cellule, umane o batteriche, si è verificata la metilazione mentre il modello di apprendimento automatico ha quantificato i livelli di metilazione in ciascuna specie separatamente", ha affermato il dott. Fang,

Esperimenti iniziali su organismi unicellulari semplici, come le alghe verdi, hanno suggerito che il metodo 6mASCOPE era efficace in quanto poteva rilevare differenze tra due organismi che avevano entrambi alti livelli di metilazione dell'adenina.

Il metodo sembrava anche essere efficace nel quantificare la metilazione dell'adenina in organismi complessi. Ad esempio, studi precedenti avevano suggerito che alti livelli di metilazione possono avere un ruolo nella crescita precoce del moscerino della frutta Drosophila melanogaster e della pianta infestante Arabidopsis thaliana . In questo studio, i ricercatori hanno scoperto che questi alti livelli di metilazione erano principalmente il risultato della contaminazione del DNA batterico. In realtà, il DNA della mosca e della pianta di questi esperimenti aveva solo tracce di metilazione.

Allo stesso modo, esperimenti su cellule umane hanno suggerito che la metilazione si verifica a livelli molto bassi sia in condizioni sane che in condizioni patologiche. Il DNA delle cellule immunitarie ottenuto dai campioni di sangue dei pazienti aveva solo tracce di metilazione.

Risultati simili sono stati osservati anche con il DNA isolato da campioni di tumore al cervello di glioblastoma. Questo risultato era diverso da uno studio precedente, che riportava livelli molto più elevati di metilazione dell'adenina nelle cellule tumorali. Tuttavia, come notano gli autori, potrebbero essere necessarie ulteriori ricerche per determinare quanto di questa discrepanza possa essere dovuta a differenze nei sottotipi tumorali e ad altre potenziali fonti di metilazione.

Infine, i ricercatori hanno scoperto che il DNA plasmidico, uno strumento che gli scienziati usano regolarmente per manipolare i geni, può essere contaminato da alti livelli di metilazione originati dai batteri, suggerendo che questo DNA potrebbe essere una fonte di contaminazione in esperimenti futuri.

"I nostri risultati mostrano che il modo in cui viene misurata la metilazione dell'adenina può avere effetti profondi sul risultato di un esperimento. Non intendiamo escludere la possibilità che alcuni tessuti umani o sottotipi di malattie possano avere una metilazione dell'adenina del DNA molto abbondante, ma lo facciamo spero che 6mASCOPE aiuterà gli scienziati a indagare a fondo su questo problema escludendo la distorsione dalla contaminazione batterica", ha affermato il dott. Gang. "Per aiutare in questo abbiamo reso ampiamente disponibile ad altri ricercatori il software di analisi 6mASCOPE e un manuale operativo dettagliato".