Comprendere come i geni sono regolati a livello molecolare è una sfida centrale nella biologia moderna. Questo complesso meccanismo è guidato principalmente dall’interazione tra proteine ​​chiamate fattori di trascrizione, regioni regolatrici del DNA e modifiche epigenetiche, ovvero alterazioni chimiche che modificano la struttura della cromatina. L'insieme delle modificazioni epigenetiche del genoma di una cellula viene chiamato epigenoma.

In uno studio appena pubblicato su Nature Genetics , gli scienziati dell'Hackett Group dell'EMBL Roma hanno sviluppato una piattaforma modulare di editing dell'epigenoma, un sistema per programmare le modifiche epigenetiche in qualsiasi punto del genoma. Il sistema consente agli scienziati di studiare l'impatto di ciascuna modifica della cromatina sulla trascrizione, il meccanismo mediante il quale i geni vengono copiati nell'mRNA per guidare la sintesi proteica.

Si ritiene che le modifiche della cromatina contribuiscano alla regolazione di processi biologici chiave come lo sviluppo, la risposta ai segnali ambientali e le malattie.

Per comprendere gli effetti di specifici segni di cromatina sulla regolazione genetica, studi precedenti hanno mappato la loro distribuzione nei genomi di tipi cellulari sani e malati. Combinando questi dati con l'analisi dell'espressione genica e gli effetti noti della perturbazione di geni specifici, gli scienziati hanno attribuito funzioni a tali segni di cromatina.

Tuttavia, la relazione causale tra i segni della cromatina e la regolazione genetica si è rivelata difficile da determinare. La sfida sta nell'analizzare i contributi individuali dei numerosi fattori complessi coinvolti in tale regolazione:segni di cromatina, fattori di trascrizione e sequenze regolatrici del DNA.

Gli scienziati dell'Hackett Group hanno sviluppato un sistema modulare di editing dell'epigenoma per programmare con precisione nove segni cromatinici biologicamente importanti in qualsiasi regione desiderata del genoma. Il sistema si basa su CRISPR, una tecnologia di modifica del genoma ampiamente utilizzata che consente ai ricercatori di apportare modifiche in posizioni specifiche del DNA con elevata precisione e accuratezza.

Tali perturbazioni precise hanno permesso loro di analizzare attentamente le relazioni di causa e conseguenza tra i segni di cromatina e i loro effetti biologici. Gli scienziati hanno inoltre progettato e utilizzato un "sistema reporter", che ha permesso loro di misurare i cambiamenti nell'espressione genetica a livello di singola cellula e di comprendere come i cambiamenti nella sequenza del DNA influenzano l'impatto di ciascun segno della cromatina. I loro risultati rivelano i ruoli causali di una serie di importanti segni cromatinici nella regolazione genetica.

Ad esempio, i ricercatori hanno scoperto un nuovo ruolo per H3K4me3, un segno di cromatina che in precedenza si credeva fosse il risultato della trascrizione. Hanno osservato che H3K4me3 può effettivamente aumentare la trascrizione da solo se aggiunto artificialmente a specifiche posizioni del DNA.

"Si è trattato di un risultato estremamente entusiasmante e inaspettato, che è andato contro tutte le nostre aspettative", ha affermato Cristina Policarpi, postdoc presso l'Hackett Group e scienziata principale dello studio. "I nostri dati indicano una complessa rete di regolamentazione, in cui molteplici fattori di governo interagiscono per modulare i livelli di espressione genica in una data cellula. Questi fattori includono la struttura preesistente della cromatina, la sequenza di DNA sottostante e la posizione nel genoma."

Hackett e colleghi stanno attualmente esplorando strade per sfruttare questa tecnologia attraverso una promettente impresa di start-up. Il prossimo passo sarà confermare ed espandere queste conclusioni prendendo di mira i geni di diversi tipi di cellule e su larga scala. Resta da chiarire anche il modo in cui i segni della cromatina influenzano la trascrizione attraverso la diversità dei geni e dei meccanismi a valle.

"Il nostro kit di strumenti modulari per l'editing epigenetico costituisce un nuovo approccio sperimentale per analizzare le relazioni reciproche tra genoma ed epigenoma", ha affermato Jamie Hackett, leader del gruppo presso l'EMBL Roma. "Il sistema potrebbe essere utilizzato in futuro per comprendere più precisamente l'importanza dei cambiamenti epigenomici nell'influenzare l'attività genetica durante lo sviluppo e nelle malattie umane.

"D'altro canto, la tecnologia sblocca anche la capacità di programmare i livelli di espressione genetica desiderati in modo altamente personalizzabile. Si tratta di una strada entusiasmante per applicazioni sanitarie di precisione e potrebbe rivelarsi utile in contesti patologici."

Ulteriori informazioni: L'editing sistematico dell'epigenoma cattura la funzione istruttiva dipendente dal contesto delle modifiche della cromatina, della genetica naturale (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01706-w

Informazioni sul giornale: Genetica della natura

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