Discovery One: lo schema di un neurone, simile all'astronave di Odissea 2001, che va dai dendriti (a sinistra) che ricevono i segnali da altri neuroni, inviati al nucleo, ai terminali presinaptici dell'assone a destra, che inviano i messaggi ad altri neuroni.Un tempo si pensava che ogni cellula del corpo di una persona possedesse lo stesso codice DNA e che il modo particolare con cui viene letto il genoma definisca la funzione cellulare e l'individuo stesso.
Per molti tipi di cellule del nostro corpo, però, ciò è una semplificazione eccessiva. Studi di genomi neuronali pubblicati negli ultimi dieci anni hanno evidenziato cromosomi extra o mancanti, o pezzi di DNA che possono copiarsi e incollarsi in tutto il genoma.
L'unico modo per sapere con certezza se i neuroni della stessa persona portano un DNA unico è profilare i genomi di cellule singole, invece di popolazioni cellulari in gruppo, operazione che produce solo una media. Ora, con il sequenziamento a cella singola, ricercatori del Salk Institute e relativi collaboratori hanno dimostrato che le strutture genomiche di singoli neuroni differiscono fra loro anche più del previsto.
I risultati sono stati pubblicati il 1 novembre 2013 in Science. "Contrariamente a quanto si è pensato finora, il corredo genetico dei neuroni nel cervello non è identico, ma è costituito da un mosaico di pezzi di DNA", dice l'autore corrispondente Fred Gage, docente Vi e John Adler per la Ricerca sulle Neurodegenerazioni da Vecchiaia del Salk.
Nello studio, condotto da Mike McConnell, un ex collega junior nel Centro Crick-Jacobs per la Biologia Teorica e Computazionale del Salk, i ricercatori hanno isolato circa 100 neuroni di tre persone dopo la morte. Gli scienziati hanno fatto un esame di alto livello sull'intero genoma, alla ricerca di grandi delezioni e duplicazioni del DNA chiamate variazioni di numero di copia (CNV), ed hanno scoperto che ben il 41 per cento dei neuroni ha almeno una unica ed enorme CNV sorta spontaneamente, il che significa che non è stata tramandata da un genitore. Le CNV sono diffuse in tutto il genoma, secondo quello che ha scoperto il gruppo.
La quantità minuscola di DNA in una singola cellula deve essere amplificata chimicamente molte volte prima che possa essere sequenziata. Questo processo è tecnicamente impegnativo, per cui il team ha trascorso un anno per escludere potenziali fonti di errore nel processo. "Una gran parte del nostro studio è consistito in esperimenti di controllo per dimostrare che questo non è un artefatto", afferma Gage. "Abbiamo dovuto farlo perché questa è stata una tale sorpresa; scoprire che i singoli neuroni nel cervello hanno un diverso contenuto di DNA".
Il gruppo ha trovato un tasso simile di variabilità nelle CNV all'interno dei neuroni individuali derivati da cellule della pelle di tre persone sane. Gli scienziati usano abitualmente queste cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) per studiare i neuroni viventi in una capsula di Petri. Poiché le iPSC sono derivate da singole cellule della pelle, ci si potrebbe aspettare che il loro genoma sia lo stesso. "La cosa sorprendente è che non lo è", dice Gage. "C'è un certo numero di delezioni e ampliamenti unici nel genoma dei neuroni derivati da una linea di IPSC".
È interessante notare che le cellule della pelle stesse sono geneticamente diverse, anche se non quanto i neuroni. Questa scoperta, insieme al fatto che i neuroni avevano delle CNV uniche, suggerisce che i cambiamenti genetici avvengono successivamente nel corso dello sviluppo e non sono ereditate dai genitori o passate alla progenie. Ha senso che i neuroni abbiano genomi più diversi tra loro di quanto non avvenga per le cellule della pelle, dice McConnell, che ora è assistente professore di genetica biochimica e molecolare alla School of Medicine della University of Virginia di Charlottesville. "Per quanto riguarda i neuroni, a differenza delle cellule della pelle, essi non ruotano, e interagiscono tra loro", dice. "Essi formano questi grandi circuiti complessi, dove una cellula con varie CNV che la rendono diversa può potenzialmente avere influenza su tutta la rete del cervello".
Le CNV che nascono spontaneamente sono state anche collegate al rischio di disturbi cerebrali come la schizofrenia e l'autismo, ma questi studi solitamente mettono insieme molte cellule del sangue. Come risultato, le CNV scoperte in quegli studi influenzano molte cellule, se non tutte, il che suggerisce che sorgono precocemente nello sviluppo.
Non è ancora chiaro lo scopo delle CNV nel cervello sano, ma i ricercatori hanno alcune idee. Le modifiche potrebbero aiutare le persone ad adattarsi ai nuovi ambienti incontrati nel corso della vita, o potrebbero aiutarci a sopravvivere ad una massiccia infezione virale. Gli scienziati stanno lavorando sui modi per alterare la variabilità genomica nei neuroni derivati da IPSC e sfidarli in modo specifico nella cultura nel piatto.
Le cellule con diversi genomi probabilmente producono RNA unici e quindi proteine. Tuttavia, per ora, solo una tecnologia di sequenziamento può essere applicata ad una singola cella. "Se e quando più di un metodo potrà essere applicato ad una cellula, saremo in grado di vedere se le cellule con diversi genomi hanno diversi trascrittomi (l'insieme di tutti gli RNA in una cellula) in modo prevedibile", dice McConnell.
Inoltre, sarà necessario sequenziare molte più cellule, ed in particolare altri tipi di cellule, nota l'autore corrispondente Ira Hall, professore associato di Genetica Biochimica e biologia molecolare all'Università della Virginia. "C'è ancora molto lavoro da fare per capire veramente a che livello le cose che abbiamo trovato siano specifiche del neurone o associate a diversi parametri come l'età o il genotipo", dice.
Altri autori dello studio sono Michael Lindberg e Svetlana Shumilina del Dipartimento di Genetica Biochimica e Biologia Molecolare della School of Medicine dell'Università della Virginia; Kristen Brennand, ora alla Scuola Icahn di Medicina del Mount Sinai di New York, Julia Piper, ora all'Università di Harvard a Cambridge nel Massachusetts, Thierry Voet e Joris Vermeesch del Centro di Genetica Umana, KU Leuven di Leuven in Belgio; Chris Cowing-Zitron del Laboratorio di Genetica del Salk, e Roger Lasken della J. Craig Venter Institute di San Diego.
Questo lavoro è stato finanziato dal Centro Crick-Jacobs per la Biologia Teorica e Computazionale, dalla G. Harold & Leila Y. Mathers Foundation, dal National Institutes of Health, dal Leona M. e Harry B. Helmsley Charitable Trust, dalla JPB Foundation, e dal Burroughs Wellcome Fund.
Fonte: Salk Institute for Biological Studies.
Riferimenti: M. J. McConnell, M. R. Lindberg, K. J. Brennand, J. C. Piper, T. Voet, C. Cowing-Zitron, S. Shumilina, R. S. Lasken, J. R. Vermeesch, I. M. Hall, F. H. Gage. Mosaic Copy Number Variation in Human Neurons. Science, 2013; 342 (6158): 632 DOI: 10.1126/science.1243472
Pubblicato in salk.edu (> English version) - Traduzione di Franco Pellizzari.
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