Immaginare un futuro in cui sia possibile riprogrammare le cellule a seconda delle necessità. È questo lo scenario in cui ci proietta il progetto 3Dhub, guidato dalla ricercatrice Dafne Campigli Di Giammartino, che all’IIT di Genova coordina l’Unità 3D Chromatin Conformation and RNA Genomics.

Grazie a un finanziamento del Fondo Italiano per la Scienza di 1,3 milioni di euro (per tre anni), il suo laboratorio studierà la natura tridimensionale del genoma e il ruolo della cromatina nei processi di lettura e trascrizione del DNA.

L’architettura 3D della cromatina

«Nel nostro laboratorio siamo interessati a capire quali fattori determinano l’identità cellulare» racconta Campigli Di Giammartino. Ogni cellula del nostro corpo ha infatti lo stesso DNA, la stessa sequenza di informazioni, anche se poi quelle della pelle svolgono funzioni ben diverse dalle cellule del sangue. «È l’espressione diversa dei geni a determinarne l’identità e quindi la funzione. Che sia una cellula muscolare o un neurone, il destino delle cellule del nostro corpo dipende da quali geni vengono attivati o silenziati».

E qui entra in gioco la cromatina. Perché la conformazione tridimensionale della cromatina ha un ruolo cruciale in questo processo, permettendo a sequenze di DNA distanti di entrare in contatto e attivare i processi di trascrizione.

«La cromatina – spiega la ricercatrice – è l’insieme di DNA e proteine che hanno un ruolo cruciale nel folding del DNA». La sua funzione principale è in effetti compattare il DNA per farlo entrare nel nucleo della cellula ma, al contempo, così regola l’espressione genica. Vediamo perché.

La cromatina: cabina di regia della trascrizione genica

«Nel nostro genoma ci sono i geni, che vengono poi trascritti in RNA e tradotti in proteine. L’espressione di questi geni è controllata da regioni del DNA chiamate enhancer» chiarisce Campigli Di Giammartino.

Ebbene, a seconda della sua architettura 3D (più aperta o più compatta), la cromatina determina quali geni vengono attivati o silenziati mettendo o meno in contatto tra loro i cosiddetti promotori e gli enhancer. Gli enhancer sono elementi regolatori che attivano la trascrizione. Possono trovarsi anche molto lontano dal gene che controllano, ma proprio grazie alla conformazione che assume la cromatina riescono a entrare in contatto e a potenziare l’attività dei promotori (che si trovano all’inizio di un gene e funzionano come interruttori di accensione per la trascrizione genica). E così l’informazione contenuta nel DNA viene copiata in una molecola di RNA messaggero (mRNA), che poi guiderà la sintesi delle proteine.

«Il nostro obiettivo è capire quali fattori portano a essere prossimi gli enhancer e i geni. E in particolare, vogliamo indagare il ruolo dell’RNA non codificante nell’interazione tra promotori ed enhancer».

Dalla ricerca di base alla possibilità di costruire una fabbrica di cellule

Guardando al futuro, questa ricerca di base sulla cromatina ha anche potenziali ricadute terapeutiche. Perché la cromatina è un po’ come la cabina di regia e se ne comprendiamo bene il funzionamento, possiamo comprendere come funzionano i processi cellulari e come intervenire per correggere eventuali processi patologici.

Rimanendo nella metafora, il DNA è il copione: contiene tutte le informazioni necessarie per lo sviluppo e il funzionamento delle cellule, proprio come una sceneggiatura stabilisce cosa accadrà in un film o in uno spettacolo. La cromatina è la regista: decide quali parti del copione devono essere lette e messe in scena (attivate) e quali invece devono essere ignorate (silenziate). Lo fa rendendo alcune sequenze più o meno accessibili alla “produzione” (trascrizione dei geni) e facendo in modo che gli attori principali possano interagire tra loro. Gli istoni sono gli assistenti di regia: «sono un complesso di proteine attorno a cui il DNA si avvolge», e contribuiscono a organizzare la sceneggiatura, perché le modificazioni chimiche sugli istoni possono cambiare la “scena”, controllando il livello di attivazione della cromatina. Gli RNA non codificanti se ne starebbero dietro le quinte, come i suggeritori: anche se non recitano direttamente (non codificano proteine), influenzerebbero la messa in scena regolando l’interazione tra gli attori principali, cioè i promotori e gli enhancer che determinano quali geni vengono espressi e in che misura. Proprio questa ipotesi sarà testata nel corso del progetto 3Dhub.

«Se identifichiamo un RNA non codificante cruciale per mettere in contatto promotori e enhancer, possiamo manipolarne l’espressione e, quindi, influenzare la conformazione 3D della cromatina. E, di conseguenza, controllare l’identità cellulare» spiega la ricercatrice.

Un esempio per comprendere meglio. Se usiamo cellule staminali pluripotenti e individuiamo quali sono gli RNA non codificanti fondamentali per l’espressione dei geni che determinano l’identità cellulare, manipolandoli possiamo cambiare il “destino” delle cellule e fare in modo, per esempio, che le suddette cellule pluripotenti si differenzino in neuroni, fibroblasti, ecc. E questo aprirebbe la strada a nuove potenziali strategie terapeutiche di medicina rigenerativa.

Sarebbe come avere a disposizione una “fabbrica di cellule“. Uno scenario possibile? «Pensiamo, per esempio, a un paziente con una malattia muscolare: noi potremmo prelevare un campione di cellule, riprogrammarle in laboratorio per renderle pluripotenti, poi differenziarle in cellule del muscolo per compensare la patologia, per reintrodurle nel paziente» spiega Campigli Di Giammartino, riportandoci però con i piedi per terra e ricordando l’importanza della ricerca di base. «La ricerca di base è fondamentale per comprendere perché le cose funzionano in certo modo ed eventualmente cosa fare per correggere ciò che non funziona correttamente».

Dall’Usa all’Italia, per esplorare il genoma in 3D

Dafne Campigli Di Giammartino ha iniziato la sua attività di ricerca all’estero: dopo il liceo in Italia, ha studiato in Israele e poi alla Columbia University di New York. Durante il postdoc alla Cornell University si è dedicata allo studio della cromatina attraverso tecniche di sequenziamento di ultima generazione. «Mi sono dedicata allo studio del genoma umano per capire i meccanismi molecolari attraverso cui alcuni pezzi della cromatina vengono tradotti in RNA, influenzando l’espressione genica. E quindi la funzione cellulare». Nel 2022 ha poi vinto la Human Technopole-Early Career Fellowship, una borsa per ricercatori e ricercatrici all’estero, per favorirne il rientro. «È stata un’opportunità importante per aprire il mio laboratorio in Italia e così sono tornata e ho avviato la mia ricerca all’Istituto Italiano di Tecnologia» racconta.

Ora, con il progetto 3Dhub, si concentrerà sullo studio della configurazione tridimensionale della cromatina. Del resto, in biologia la forma è funzione. E comprendere a fondo i principi e i meccanismi che regolano l’architettura della cromatina, è lo step imprescindibile per contribuire ad aprire la strada a nuove strategie di riprogrammazione cellulare.