Lo sviluppo del sistema nervoso centrale richiede accurati processi di divisione e differenziamento cellulare. Una alterazione di questi eventi può ridurre fortemente il numero di neuroni e compromettere le funzioni cerebrali, provocando gravi sintomi come disabilità intellettuale, disturbi del movimento ed epilessia.
Il nostro gruppo studia come la proliferazione, la vitalità e il differenziamento dei neuroni possono essere alterati da diverse mutazioni genetiche, provocando una riduzione del volume del cervello (microcefalia) e altri disturbi del neurosviluppo. Inoltre, cerchiamo di comprendere come i meccanismi molecolari della microcefalia possano fornire utili bersagli terapeutici per combattere i tumori cerebrali, in particolare quelli che colpiscono l’età pediatrica, come il medulloblastoma.
Che cos’è la Microcefalia
Il cervello è costituito approssimativamente da 90 miliardi di neuroni e da un numero ancora più elevato di cellule gliali, che vengono generati durante il periodo embrionale a partire da diversi tipi di cellule staminali neurali, la cui proliferazione è estremamente ben organizzata nel tempo e nello spazio. La moltiplicazione delle cellule staminali è molto attiva durante le fasi precoci dello sviluppo cerebrale e cessa quasi completamente nella vita post-natale. Se viene prodotto un numero insufficiente di neuroni, o troppi neuroni muoiono durante lo sviluppo, il volume finale del cervello può essere molto compromesso, e a questa condizione si dà il nome di microcefalia.
Benché una forte riduzione del volume cerebrale possa non comportare variazioni significative della funzione cerebrale e dell’intelligenza, la microcefalia è spesso associata a sintomi fortemente invalidanti, come disabilità intellettuale, epilessia e paralisi cerebrale.
Microcefalia: cause ambientali e genetiche
La microcefalia può presentarsi come risultato di rare alterazioni genetiche, caratterizzate in genere da trasmissione recessiva. Più frequentemente, la microcefalia deriva da cause ambientali come ipossia, abuso di alcool e stupefacenti o esposizione ad agenti infettivi quali rosolia, toxoplasmosi, citomegalovirus o Zika virus. Le ricerche effettuate nell’ultimo decennio hanno mostrato che tutte queste situazioni patologiche possono alterare dei processi molecolari comuni, che regolano la stabilità del genoma, la proliferazione, la sopravvivenza o l’identità delle cellule.
La ricerca al NICO
Le nostre ricerche sono focalizzate soprattutto nel comprendere le relazioni tra questi meccanismi, al fine di sviluppare nuove strategie che possano prevenire la perdita di neuroni durante lo sviluppo, attenuando così le conseguenze degli insulti patologici che causano la microcefalia.
Inoltre, ci occupiamo di investigare come uno sviluppo anomalo possa determinare anomalie nei circuiti cerebrali, non solo nelle microcefalie genetiche ma anche in altri disturbi del neurosviluppo per i quali una mutazione genetica sia stata identificata o sospettata.
Nuovi modelli sperimentali per lo studio delle patologie neurodegenerative e del neurosviluppo
A fronte di un costante aumento della frequenza delle patologie neurologiche di origine genetica, non sono ancora state individuate molte soluzioni per un’affidabile diagnosi preclinica e per lo sviluppo di terapie efficaci. Uno degli aspetti più limitanti in queste attività consiste nella scarsità di adeguati modelli sperimentali, capaci di stabilire un raccordo tra studi clinici e biologici.
Tale problema si è reso particolarmente evidente a seguito del forte avanzamento nelle possibilità di studio genetico dei pazienti, offerto dalle moderne tecnologie di sequenziamento genomico.
Al fine di aumentare l’integrazione tra il NICO e i centri di ricerca clinica, intendiamo implementare presso il nostro centro modelli ad alta capacità per lo studio funzionale di mutazioni:
– in vitro, mediante cellule immortalizzate e organoidi cerebrali;
– in vivo, ricorrendo non solo ai topi geneticamente modificati ma anche all’organismo modello geneticamente trattabile Caenorhabditis elegans.
Nello specifico, le nostre ricerche hanno l’obiettivo di:
Chiarire come le mutazioni del gene Citron chinasi conducano a microcefalia.
Citron chinasi (CITK) è una proteina che regola l’ultimo passaggio della divisione cellulare, noto come citochinesi, che porta alla separazione finale delle due cellule figlie. Il nostro gruppo ha innanzitutto scoperto in modelli sperimentali che la perdita completa di questa proteina porta ad una grave forma di microcefalia. Recentemente, il sequenziamento del genoma di pazienti affetti da microcefalia grave ha identificato mutazioni nel gene CITK, dimostrando il suo ruolo nella patogenesi della microcefalia umana. Sappiamo che i progenitori neurali degli individui portatori di mutazioni CITK non riescono a dividersi e vanno incontro a instabilità genomica e morte cellulare programmata, portando a una forte riduzione del numero di neuroni. Stiamo lavorando per chiarire come il fallimento della citocinesi e il danno al DNA possano portare alla morte cellulare e se altri meccanismi possano essere responsabili dell’induzione dell’apoptosi o della riduzione del numero di neuroni.
Dissezionare le conseguenze molecolari della perdita di CITK.
CITK è stata originariamente identificata come una proteina importante per il rimodellamento del citoscheletro di actina. Recentemente abbiamo scoperto che è ancora più importante per regolare la stabilità dei microtubuli e che questa funzione è cruciale per completare la citocinesi, per l’orientamento del fuso e per prevenire l’accumulo di rotture del doppio filamento del DNA.
Modellizzare i disordini genetici in C. elegans per studiare i meccanismi delle malattie e identificare possibili terapie.
Il nematode Caenorhabditis elegans è un modello sperimentale estremamente potente e versatile, che permette di studiare in grande dettaglio i meccanismi molecolari delle malattie umane. Infatti, nonostante centinaia di milioni di anni di evoluzione da un antenato comune, gli esseri umani e i nematodi possiedono ancora un’alta percentuale di geni comuni, che codificano per proteine ancora più conservate. Per questo motivo, molte mutazioni umane possono essere studiate in C. elegans, permettendo di identificare molto più velocemente i meccanismi cellulari e molecolari responsabili della patogenesi della malattia. I geni dei nematodi possono essere modulati e mutati molto facilmente e le conseguenze di queste modificazioni sull’organizzazione, sulla morfologia e sulla fisiologia del sistema nervoso, nonché sul comportamento, possono essere studiate a basso costo e in un numero molto elevato di individui. Studiando come il sistema nervoso di C. elegans risponde alle mutazioni e ad altri fattori di stress possiamo rivelare i principi fondamentali della plasticità e della resilienza neurali. I meccanismi sottostanti possono, a loro volta, essere utilizzati per combattere le malattie del neurosviluppo e neurodegenerative e per formulare strategie per migliorare la resilienza agli stimoli ambientali, inclusa la presenza di inquinanti chimici e condizioni fisiche stressanti, come quelle che caratterizzano il volo spaziale.
CITK come possibile bersaglio per la terapia del medulloblastoma
Stiamo valutando la possibilità che le funzioni di CITK possano essere essenziali per la proliferazione delle cellule nei medulloblastomi, devastanti tumori infantili che richiedono urgentemente lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche.
