Ritratto di un embrione da giovane – #storiediscienza

ResearchBlogging.orgDISCLAIMER: questo post riporta più o meno fedelmente i risultati descritti nel paper pubblicato alcuni giorni fa su Nature Communications. Shintaro Katayama e Juha Kere esistono veramente, ma il dialogo tra i due è frutto della mia immaginazione. Non so in che rapporti siano, né se il professor Kere sia mai entrato in uno Starbucks. Si può scrivere un racconto di fantasia per parlare di una scoperta scientifica? Consideratelo il mio esperimento letterario.


Le cellule erano state spedite alcune settimane prima dal centro per la fertilità ProCrea di Lugano. Il materiale da sequenziare includeva alcuni ovociti e diversi embrioni ai primi stadi dello sviluppo, ed erano questi ultimi il pezzo forte dell’esperimento: grazie alla generosità di anonimi donatori, i ricercatori del Karolinska Institutet di Stoccolma potevano studiare i cambiamenti nell’espressione genica che avvenivano durante i primissimi istanti dello sviluppo embrionale, all’alba della formazione di una nuova vita. Per farlo occorreva una tecnica di sequenziamento a risoluzione elevatissima, che permettesse di monitorare in modo preciso l’attività di ogni singola cellula. La tecnica in questione esiste, si chiama single-cell sequencing e ha consentito agli scienziati svedesi di scoprire quali geni si accendevano in due momenti particolari: nel passaggio da ovocita a embrione di quattro cellule, e nel passaggio da quest’ultimo a embrione di otto cellule.

Nel suo ufficio di Huddinge, alla periferia di Stoccolma, Shintaro Katayama stava ricontrollando per l’ennesima volta i risultati del sequenziamento. I frammenti di DNA prodotti dal sequenziatore erano stati allineati contro la sequenza standard del genoma umano, e l’attività di ogni singolo gene era stata quantificata sulla base del numero di sequenze ad esso associate. Confrontando l’espressione genica nei diversi momenti dello sviluppo erano emersi dei risultati straordinari, che Shintaro voleva condividere al più presto con il professor Kere. Proprio in quell’istante squillò il telefono.

Juha Kere, classe 1958, aveva la cattedra di genetica molecolare del Karolinska Institutet dal 2001. Laureatosi in medicina nell’84, dopo una breve esperienza negli Stati Uniti era tornato in Scandinavia per fondare e dirigere il Finnish Genome Centre di Helsinki. Autore di oltre 400 pubblicazioni scientifiche, non era esattamente l’ultimo arrivato. Tuttavia, la notizia che stava per comunicargli Katayama avrebbe sorpreso anche lui. Seduto a un tavolo dello Starbucks di Stureplan, il quartiere vip di Stoccolma, il professor Kere aveva appena composto il numero del collega. Era stato via alcuni giorni e sperava che nel frattempo il progetto avesse prodotto qualche risultato.

«Professore buongiorno! – rispose Shintaro con voce squillante – Come è andato il congresso?»
«Poteva andare meglio. Certo qualche talk era interessante, ma niente di particolarmente innovativo. E il cibo era pessimo. Sono felice di essere tornato in Svezia, mi mancavano i nostri smörgårbord!» All’altro capo del telefono, Shintaro rise di gusto. «In ogni caso non ti chiamavo per invitarti a cena – continuò Kere – ma per avere qualche aggiornamento sui nostri embrioni. Ci sono novità?»
«Altroché, prof! Ho terminato le analisi e stavo appunto riguardando i risultati. Abbiamo 32 geni che si accendono nel passaggio da ovocita a embrione di quattro cellule, e 129 geni che si attivano allo stadio di otto cellule.»
Sorseggiando il caffé, Kere aggrottò le sopracciglia. «Mmm.. Mi sembrano pochi. Ricordo un articolo di qualche tempo fa in cui si parlava di quasi 3000 geni! Era di un team cinese, se non sbaglio. Sei sicuro che i calcoli siano giusti?»
«Si fidi di me, prof. – rispose Shintaro – Il nostro metodo di normalizzazione è più corretto. Si adatta meglio agli esperimenti come questo, dove c’è uno sbilanciamento enorme tra i geni che aumentano di espressione e quelli che si disattivano. Non dimentichi i trascritti materni, che nelle prime ore dalla fecondazione devono essere distrutti. Mi conceda una metafora informatica: prima di iniziare a svilupparsi, l’embrione deve formattare il sistema. Se avessimo utilizzato lo stesso metodo di normalizzazione dei cinesi, saremmo stati ingannati dall’enorme numero di geni che si spengono durante questo “reset”.»
Il professore annuì con convinzione, sorseggiando il suo caffè. «Capisco. – rispose – E quindi? Che hanno di interessante questi geni?»
«Beh, diciamo che molti non erano mai stati annotati. – rivelò con soddisfazione Shintaro, certo di aver catturato l’attenzione del suo interlocutore – Di questi sappiamo poco o nulla, ed è proprio questo a renderli interessanti. Non crede? Abbiamo una dozzina di posizioni genomiche che si accendono durante le prime due divisioni cellulari, e non sappiamo a cosa diavolo servano! Ma non è finita qui.»
«Dimmi Shintaro, dimmi!» Il professore addentò un pezzo di muffin al cioccolato.
«Abbiamo scoperto che la maggior parte di questi geni hanno per così dire un interruttore comune. Nelle loro vicinanze troviamo con una certa frequenza la stessa sequenza di DNA: è un pattern ricorrente, e la statistica ci dice che non può essere lì per caso. Professore, è un sito di attacco per gli homeobox! Certo, non stupisce più di tanto, visto che questi fattori di trascrizione sono noti per svolgere funzioni importanti durante lo sviluppo, ma i nostri fattori in particolare sono dei nuovi attori in scena. E soprattutto – qui viene il bello – abbiamo anche scoperto chi ha piazzato quegli interruttori proprio in quelle posizioni.»
«Non tenermi sulle spine, forza!», rispose Kere spazientito.
«Ok, ok. Ecco, ha presente quella cosa che un tempo chiamavamo con una certa supponenza “DNA spazzatura”? Pensavamo che gran parte del genoma umano fosse composto da sequenze inutili, soltanto perché ancora non ne conoscevamo la funzione. D’altra parte, a cosa potevano servire tutte quelle sequenze che si ripetono identiche un po’ ovunque nel nostro DNA? Beh, le confermo che ci sbagliavamo di grosso, come hanno già affermato scienziati più famosi di me. Il pattern ricorrente di cui le parlavo si trova sempre circondato da ripetizioni Alu, le sequenze mobili più abbondanti nel genoma umano.»
«Aspetta! – lo fermò Kere – Mi stai dicendo che quei dannati trasposoni hanno portato i siti di attacco per gli homeobox proprio lì dove servivano?!»
Shintaro sorrise. «Beh, ovviamente non lo hanno fatto di proposito. Ma sì, la teoria è proprio questa: i trasposoni, o “jumping genes” come li chiama qualcuno, hanno creato dei nuovi circuiti di regolazione fondamentali per lo sviluppo embrionale. Di fatto, il DNA spazzatura ha plasmato la nostra evoluzione»
«Accidenti, ma è fantastico! – esclamò Kere – Amico mio, questo risultato finisce dritto dritto su Nature


Töhönen, V., Katayama, S., Vesterlund, L., Jouhilahti, E., Sheikhi, M., Madissoon, E., Filippini-Cattaneo, G., Jaconi, M., Johnsson, A., Bürglin, T., Linnarsson, S., Hovatta, O., & Kere, J. (2015). Novel PRD-like homeodomain transcription factors and retrotransposon elements in early human development Nature Communications, 6 DOI: 10.1038/ncomms9207

Obesità: la prevenzione inizia ancora prima della nascita

Secondo le stime dell’Organizzazione Mondiale della Sanità, nel mondo ci sono 400 milioni di obesi, e 1,6 miliardi di persone sono sovrappeso. Alla base dell’obesità c’è la mancanza di equilibrio tra l’energia che introduciamo e quella che consumiamo, con un conseguente accumulo di tessuto adiposo nell’organismo. Quest’ultimo, in realtà, svolge un ruolo fondamentale in questo senso, dal momento che agisce come un bacino di attrazione per gli acidi grassi circolanti nel sangue, e impedisce che questi vadano in massa verso altri tessuti, dove quantità eccessive potrebbero avere effetti tossici. E’ stato ipotizzato che le conseguenze più gravi dell’obesità siano dovute proprio alla saturazione di questo sistema tamponante: è bene ricordare, infatti, che l’obesità non è solo un difetto estetico, ma una condizione a cui spesso sono associati disturbi molto seri, come il diabete di tipo II e le malattie cardiache.

Grazie agli studi di associazione su scala genomica (GWAS), molte variazioni genetiche sono state collegate al rischio obesità. Tra di esse la più famosa è senz’altro quella relativa allo SNP rs9939609 nel gene FTO: uno studio del 2007 che ha coinvolto quasi 40mila europei ha rivelato che avere una A in questo polimorfismo produceva in media un incremento di 1,2 chili nei soggetti eterozigoti (cioè con una sola copia della variante) e di 3 chili in quelli omozigoti (due copie). In alcuni casi le varianti sono intimamente legate all’ambiente e alla nostra nutrizione: il gene PLIN4, ad esempio, può presentarsi in una forma che predispone all’obesità, ma questa stessa variazione è in grado di portare, al contrario, a una riduzione del peso in seguito all’assunzione di acidi grassi Omega-3.

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Non sempre, però, il rischio obesità è scritto nei nostri geni, delle volte si trova “al di sopra” di essi (è questo infatti il significato letterale della parola “epigenetica”). Le alterazioni epigenetiche sono delle modifiche chimiche che accendono o spengono i geni senza cambiare la sequenza sottostante, regolando in questo modo la quantità di proteine prodotte. L’esempio più classico è quello della metilazione del DNA, cioè l’aggiunta di un gruppo metile alle citosine (C) che si trovano immediamente prima di una guanina (G). In un recente lavoro pubblicato sulla rivista Diabetes, ricercatori inglesi hanno scoperto che una modificazione di questo tipo davanti al gene RXRA può alzare il rischio obesità. Non solo: questa metilazione avviene prima ancora della nascita, nel ventre materno, e sembra sia determinata dalla dieta della madre durante la gravidanza.

Gli scienziati hanno analizzato il DNA estratto dai cordoni ombelicali di 78 neonati, al fine di individuare eventi di metilazione nelle regioni a monte di cinque geni candidati. Successivamente, quando i bambini avevano ormai 9 anni, hanno misurato la loro massa grassa, nel tentativo di evidenziare qualche correlazione con le modificazioni epigenetiche registrate alla nascita. Ebbene, per il gene RXRA questa correlazione c’era ed era anche piuttosto significativa: circa il 26% della variabilità nella massa grassa dei bimbi poteva essere spiegata da un evento di metilazione davanti a questo gene. I ricercatori hanno individuato anche un’altra sorprendente correlazione, quella che legava lo stato di RXRA all’alimentazione della madre durante la gravidanza, e in modo particolare alla quantità di carboidrati ingeriti con la dieta. Le mamme che avevano una dieta più povera in carboidrati tendevano ad avere figli con la metilazione del gene RXRA, e quest’ultima a sua volta portava i bambini ad essere più grassi una volta cresciuti.

Questa scoperta rientra in quella teoria secondo la quale il feto è in grado di percepire il mondo esterno attraverso i messaggi biochimici che provengono dalla madre, e risintonizzarsi di conseguenza: in effetti, fin dagli anni 70 si sa che la scarsità di cibo in gravidanza aumenta il rischio obesità da adulti. E’ come se il nostro organismo calibrasse il proprio metabolismo sulla base delle informazioni che riceve nel grembo materno, informazioni che potrebbero però contrastare con ciò che incontrerà una volta venuto al mondo e diventato adulto.

Certo questo studio è limitato, ma suggerisce un concetto forte e chiaro: la dieta e lo stile di vita tenuti da una mamma in dolce attesa possono influire sul proprio bambino in modo significativo, anche con effetti a lungo termine. Un embrione che si sviluppa può seguire “traiettorie” leggermente diverse a seconda dei segnali e dei messaggi che riceve dall’esterno, e queste traiettorie possono manifestare il proprio effetto fenotipico persino a distanza di anni. Se sapessimo di più dell’intimo legame che unisce una madre e il suo bambino, anche a livello (epi)genetico, avremmo tra le mani un formidabile strumento di prevenzione: lo stile di vita e l’alimentazione in gravidanza potrebbero infatti essere ottimizzati in modo da regalare al nascituro una vita più sana possibile.

Fonte: M.Colaiacovo – Estropico Blog

Image credit: Bekah267, skyseeker


Godfrey, K., Sheppard, A., Gluckman, P., Lillycrop, K., Burdge, G., McLean, C., Rodford, J., Slater-Jefferies, J., Garratt, E., Crozier, S., Emerald, B., Gale, C., Inskip, H., Cooper, C., & Hanson, M. (2011). Epigenetic Gene Promoter Methylation at Birth Is Associated With Child’s Later Adiposity Diabetes DOI: 10.2337/db10-0979