La metilazione del DNA come meccanismo di regolazione dell'espressione genica

La regolazione dell’espressione genica è un processo molto complesso e finemente controllato da fattori multipli, tra i quali quelli epigenetici hanno richiamato l’attenzione nell’ultima decade. I meccanismi di regolazione epigenetica comprendono la metilazione del DNA a livello delle isole CpG nella regione del promotore del gene e le modifiche istoniche post-traduzionali, quali acetilazioni e metilazioni. Questa serie di elementi di regolazione concorre a determinare uno stato di impacchettamento della cromatina più o meno rilassato, che influenzerà la trascrizione di geni critici, per esempio nello sviluppo o nelle neoplasie. Gli ambiti nei quali lo studio del profilo epigenetico ha assunto maggiore rilievo sono effettivamente quello oncologico e quello del differenziamento di cellule staminali, due contesti nei quali si è svolto il mio programma di Dottorato, nel quale ho seguito in parallelo più progetti presentati nella tesi in modo indipendente. La ricerca in campo tumorale è centrata sull’indagine di nuovi marcatori e sull’individuazione di profili epigenetici specifici per un determinato tumore che possano aiutare la diagnostica precoce, la classificazione e la sorveglianza dell’evoluzione clinica della neoplasia. In questo contesto si inserisce il progetto finalizzato alla costruzione di quadri associativi di metilazione in due tumori cerebrali, il glioblastoma (GBM) e l’oligodendroglioma (ODG). La casistica di GBM e di ODG in dotazione è stata valutata dal punto di vista della metilazione dei promotori di geni (MGMT, EMP3,..) con funzioni oncosoppressive e trovati ipermetilati anche in altri tumori o localizzati in regioni citologicamente instabili, per poter correlare questi dati con la risposta terapeutica nel caso del GBM o con i dati di perdita di eterozigosità (LOH) 1p19q nel caso dell’ODG. Parallelamente all’individuazione di marcatori epigenetici in ambito oncologico, la ricerca si sta muovendo anche nell’indagine di nuove potenziali terapie farmacologiche antitumorali su base epigenetica. In questo contesto, con lo scopo di approfondire le relazioni tra i meccanismi alla base della regolazione epigenetica, ci si è riproposti di valutare la correlazione tra il meccanismo di metilazione/demetilazione del DNA e quello di acetilazione/deacetilazione istonica e la loro vicendevole influenza nel determinare silenziamento genico piuttosto che riattivazione dell’espressione di geni ipermetilati. Sono stati usati farmaci epigenetici demetilanti, quali Azacitidina e Decitabina, inibitori della istone deacetilasi, quali la Tricostatina A, e inibitori della via di sintesi di molecole, le poliammine, coinvolte nella regolazione dell’espressione genica con modalità ancora da precisare in modo definitivo. Sebbene i meccanismi di regolazione epigenetica vengano studiati per lo più nel cancro, a causa delle gravi conseguenze che una loro disregolazione porta in termini di silenziamento di geni oncosoppressori, essi sono implicati fisiologicamente anche nel differenziamento di cellule staminali. Gli ultimi due progetti trattati nella tesi si contestualizzano in questo ambito. In particolare viene presentata la messa a punto di una metodologia di immunoprecipitazione sequenziale della cromatina finalizzata all’individuazione di due modificazioni istoniche associate alla stessa regione di DNA. Le modifiche hanno riguardato i marcatori rappresenatativi di cromatina trascrizionalmente repressa H3K27me3 (trimetilazione della Lys27 dell’istone H3) e di cromatina trascrizionalmente attiva H3K24me2 (dimetilazione della Lys4 dell’istone H3) che definiscono i domini detti bivalenti, associati a geni che codificano per fattori di trascrizione che regolano lo sviluppo in cellule embrionali staminali, mantenendoli pronti per un veloce indirizzamento verso l’ attivazione trascrizionale. Il ruolo che la regolazione epigenetica svolge durante il differenziamento di cellule staminali non è ancora noto con precisione. È chiaro però che la memoria della linea cellulare verso la quale si differenzia una cellula staminale adulta, implica l’utilizzo di modifiche epigenetiche, quali la metilazione del DNA e correlati pattern di metilazione e acetilazione istonica. L’ultimo progetto, trattato, è stato finalizzato a verificare il coinvolgimento dell’epigenetica e in particolare della metilazione dei promotori di fattori trascrizionali precocemente attivati durante il differenziamento verso il fenotipo muscolare cardiaco di cellule staminali umane derivate da tessuto adiposo (ADSCs).

Study of Candidate Genes for production and carcass traits in Italian Heavy Pigs: identification of a new DNA Markers, Expression Studies and Association Analysis using Different Experimental Design

Heavy pig breeding in Italy is mainly oriented for the production of high quality processed products. Of particular importance is the dry cured ham production, which is strictly regulated and requires specific carcass characteristics correlated with green leg characteristics. Furthermore, as pigs are slaughtered at about 160 kg live weight, the Italian pig breeding sector faces severe problems of production efficiency that are related to all biological aspects linked to growth, feed conversion, fat deposition and so on. It is well known that production and carcass traits are in part genetically determined. Therefore, as a first step to understand genetic basis of traits that could have a direct or indirect impact on dry cured ham production, a candidate gene approach can be used to identify DNA markers associated with parameters of economic importance. In this thesis, we investigated three candidate genes for carcass and production traits (TRIB3, PCSK1, MUC4) in pig breeds used for dry cured ham production, using different experimental approaches in order to find molecular markers associated with these parameters.

R-loops and G4-structures: from DNA damage to innate immune response gene activation

Non-B DNA structures like R-loops and G-quadruplexes play a pivotal role in several cellular vital processes like DNA transcription regulation. Misregulation of said non-canonical DNA structures can often lead to genome instability, DNA damage, and, eventually, to the activation of an innate immune response. For such reasons they have been studied as adjuvants in anticancer therapies. Here we studied drugs targeting R-loops (Top1 poisons) and G4s (hydrazone derivatives) in order to observe their effects in terms of DNA damage induction and, subsequently, activation of innate immune response. We studied how non-cytotoxic doses of ampthotecin and LMP-776 impact on genome instability, are capable to induce DNA damage and micronuclei, and, eventually lead to an innate immune gene response via the cGAS/STING pathway. G-quadruplexes are another ubiquitous, non-canonical DNA structure, more abundant in telomeric regions, demonstrating a marked relation with the impairment of telomerase and the regulation of DNA replication and transcription. Furthermore, we investigated the properties of new-synthesized molecules belonging to the highly promising class of hydrazone derivatives, in terms of cytotoxicity, ability to stabilize G4-structures, induce DNA damage, and activate interferon-B production. Both Top1 poisons and G4-stabilizers possess several features that can be very useful in clinical applications, in light of their ability to stimulate innate immune response factors and exert a certain cell-killing power, plus they offer a broad and diverse range of treatment options in order to face a variety of patient treatment needs. It is for these very reasons that it is of uttermost importance that further studies are conducted on these compounds, in order to synthesize new and increasingly powerful and flexible ones, with fewer side effects to customize therapies on specific cancers’ and patients’ features.