L'interruttore dimmer genetico offre un controllo preciso dell'espressione genica / Genetic “Dimmer Switch” Offers Precise Gene Expression Control

 L'interruttore dimmer genetico offre un controllo preciso dell'espressione genica / Genetic “Dimmer Switch” Offers Precise Gene Expression Control

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un embrione di topo in via di sviluppo esprime geni diversi (verde, magenta, ciano) dalla testa alla coda, per generare diverse parti del corpo  /  A developing mouse embryo expresses different genes (green, magenta, cyan) from head to tail, to generate different parts of the body 

Gli scienziati del Laboratorio di Scienze Mediche (LMS) dell'MRC hanno scoperto un "interruttore dimmer" basato sul DNA che regola l'attività di un gene critico per lo sviluppo, Cdx2. Questo lavoro potrebbe aprire la strada a strategie di espressione genica programmabili in ambito terapeutico e nella modellazione delle malattie.

I risultati dello studio, pubblicati su Developmental Cell, "suggeriscono la versatilità degli elementi cis-regolatori, presenti in tutto il nostro genoma, attraverso precise modifiche alla sequenza del DNA", ha dichiarato a GEN Vicki Metzis, PhD, ricercatrice principale del gruppo Sviluppo e Controllo Trascrizionale presso LMS . "Una comprensione più generale di questo aspetto potrebbe fornire importanti progressi per la regolazione fine dell'espressione genica dove e quando è necessaria per una vasta gamma di applicazioni".

L'articolo intitolato " Un elemento dual enhancer-attenuator assicura l'espressione transitoria di Cdx2 durante la formazione del corpo posteriore " svela come la durata dell'espressione del gene Cdx2 sia strettamente regolata da un elemento della sequenza del DNA recentemente identificato chiamato "attenuatore".

"Siamo particolarmente interessati a Cdx2 da molti anni ormai, per il suo ruolo cruciale nello sviluppo embrionale, inclusa la formazione del midollo spinale", ha detto Metzis a GEN . "Dato che Cdx2 svolge un ruolo così importante, volevamo capire cosa determina dove e quando una cellula esprimerà questo fattore critico".

Il gene Cdx2 viene espresso per un breve periodo durante lo sviluppo precoce. Il momento e la durata dell'espressione sono fondamentali per un corretto sviluppo embrionale. "Il gene Cdx2 è un gene chiave coinvolto nel modellamento dello sviluppo del corpo posteriore, ma la sua espressione si esaurisce molto rapidamente", ha dichiarato a GEN la prima autrice, Irène Amblard, PhD . Il modo in cui l'organismo controlla questo impulso di attività è rimasto poco chiaro.

Utilizzando l'editing genetico CRISPR-Cas9, il gruppo ha analizzato sistematicamente il panorama regolatorio del gene Cdx2. Ha identificato diversi elementi cis-regolatori (CRE) che aumentano l'espressione di Cdx2 in vitro. Ha inoltre identificato un elemento del DNA all'interno del locus Cdx2 che non rientra nelle definizioni classiche di enhancer o silencer. Questo elemento, invece, modifica o attenua l'espressione con specificità temporale e tissutale.

Questo attenuatore modula l'espressione genica in modo specifico per tempo e tipo cellulare, a differenza di enhancer o silencer, che attivano o disattivano i geni in modo generico. La rimozione o la mutazione dell'attenuatore ha alterato significativamente l'attività di Cdx2 e ha interrotto il normale modello corporeo negli embrioni di topo, causando strutture di sviluppo visibilmente malformate.

I ricercatori hanno scoperto di poter riprogrammare questo attenuatore per agire come potenziatore modificando un singolo motivo all'interno della sua sequenza. "Quando rimuoviamo questa regione, interferiamo con l'espressione di Cdx2 e questo influisce sullo sviluppo embrionale", ha spiegato Metzis a GEN . "Abbiamo anche dimostrato che modificando la sequenza di DNA contenuta nell'attenuatore, possiamo riprogrammare la funzione dell'elemento e il suo effetto su Cdx2".

Per Amblard, uno dei momenti più sorprendenti è arrivato quando ha confrontato gli embrioni con l'attenuatore eliminato. "Osservare l'embrione generato utilizzando la tecnologia CRISPR-Cas9 knockout, mirata contro l'attenuatore, ed osservare che la forma è diversa rispetto agli embrioni di tipo selvatico è stato un risultato davvero sorprendente", ha condiviso con GEN . "Ci dice che l'introduzione di sottili modifiche al DNA può interferire con lo sviluppo di un embrione".

Questo duplice comportamento – in grado di aumentare o diminuire l'espressione genica a seconda del contesto – indica un'ulteriore complessità nel genoma non codificante. "I nostri risultati stabiliscono una logica cis-regolatrice duale che garantisce un controllo spaziotemporale preciso sull'espressione genica per la struttura corporea dei vertebrati", hanno scritto gli autori.

Le implicazioni vanno oltre la biologia dello sviluppo. Rivelando come l'espressione genica possa essere regolata con precisione, non semplicemente attivata o disattivata, questo lavoro apre nuove possibilità per la biologia sintetica e la terapia genica. Il controllo programmabile dell'attività genica potrebbe offrire un nuovo approccio per il trattamento di patologie causate da una regolazione genetica anomala, dai disturbi dello sviluppo al cancro.

"Siamo entusiasti perché ricerche precedenti suggeriscono che il nostro genoma potrebbe ospitare molti tipi diversi di elementi che regolano finemente l'espressione genica, ma non sono stati facili da identificare", ha affermato Metzis. "Se riusciamo ad affrontare questa sfida, avremo un enorme potenziale per sbloccare nuovi modi di curare le malattie, regolando finemente l'espressione genica dove e quando è necessario".

Sebbene siano necessari ulteriori studi per esplorare i meccanismi attraverso i quali funziona questo attenuatore, Amblard ha affermato che i prossimi passi si concentreranno sulla comprensione del funzionamento dell'elemento a livello molecolare e di quali altri geni potrebbero essere regolati in modo simile.

Mentre i ricercatori si muovono verso un controllo di precisione dell'espressione genica, scoperte come questa rappresentano un trampolino di lancio fondamentale. Non solo approfondiscono la nostra comprensione di come il genoma costruisce un corpo, ma suggeriscono anche come un giorno potremmo riscriverne le istruzioni a beneficio terapeutico.

ENGLISH

Scientists at the MRC Laboratory of Medical Sciences (LMS) have discovered a DNA-based “dimmer switch” that regulates the activity of a critical developmental gene, Cdx2. This work could pave the way for programmable gene expression strategies in therapeutics and disease modeling.

The findings of the study, published in Developmental Cell, “hint at the versatility of cis-regulatory elements, located throughout our genome, through precise changes to the DNA sequence,” Vicki Metzis, PhD, lead researcher, Development and Transcriptional Control group at LMS, told GEN.  “Understanding this more generally could provide important advances for fine-tuning gene expression where and when it is needed for a range of applications.”

The paper titled “A dual enhancer-attenuator element ensures transient Cdx2 expression during posterior body formation” uncovers how the duration of expression of the gene Cdx2 is tightly regulated by a newly identified DNA sequence element called an “attenuator.”

“We have been particularly interested in Cdx2 for many years now, because of its critical role in embryonic development, including the formation of the spinal cord,” Metzis told GEN. “As Cdx2 plays such an important role, we wanted to understand what determines where and when a cell will express this critical factor.”

Cdx2 is expressed for a brief time during early development. The timing and duration of expression are pivotal to proper embryonic development. “Cdx2 is a key gene involved in shaping posterior body development, but its expression is extinguished really quickly,” first author Irène Amblard, PhD, told GEN. How the body controls this pulse of activity has remained unclear.

Using CRISPR-Cas9 gene editing, the team systematically dissected the regulatory landscape around the Cdx2 gene. They identified multiple cis-regulatory elements (CREs) that enhance Cdx2 expression in vitro. They further identified a DNA element within the Cdx2 locus that does not fit the classical definitions of either an enhancer or a silencer. Instead, this element modifies, or attenuates, expression with temporal and tissue specificity.

This attenuator modulates gene expression in a time- and cell-type-specific manner, unlike enhancers or silencers, which broadly switch genes on or off. Removing or mutating the attenuator significantly altered Cdx2 activity and disrupted normal body patterning in mouse embryos, leading to visibly malformed developmental structures.

The researchers found that they could reprogram this attenuator to act as an enhancer by modifying just a single motif within its sequence. “When we remove this region, we interfere with Cdx2 expression, and this impacts embryonic development,” Metzis explained to GEN. “What we also show is that by modifying the DNA sequence contained within the attenuator, we can reprogram the function of the element and its effect on Cdx2.”

To Amblard, one of the most striking moments came when comparing embryos with the attenuator knocked out. “Looking at the embryo generated using CRISPR-Cas9 knockout technology targeted against the attenuator and observing that the shape is different compared to wildtype embryos was a very striking result,” she shared with GEN. “It tells us that introducing subtle changes to the DNA can interfere with how an embryo develops.”

This dual behavior—able to enhance or attenuate gene expression depending on context—points to further complexity in the non-coding genome. “Our findings establish a dual cis-regulatory logic ensuring precise spatiotemporal control over gene expression for vertebrate body patterning,” the authors wrote.

The implications reach beyond developmental biology. By revealing how gene expression can be precisely tuned—not simply switched on or off—this work opens new possibilities for synthetic biology and gene therapy. Programmable control of gene activity could offer a new approach for treating diseases caused by gene misregulation, from developmental disorders to cancer.

“We’re excited because previous research suggests that our genome may harbor many different types of elements that finely tune gene expression, but they’ve not been easy to identify,” said Metzis. “If we can address this challenge, this holds enormous potential for unlocking new ways to treat diseases by fine-tuning gene expression where and when it’s needed.”

While more work is needed to explore the mechanisms through which this attenuator functions, Amblard said the next steps will focus on understanding how the element operates at a molecular level and what other genes may be similarly regulated.

As researchers move toward precision control of gene expression, discoveries like this provide key stepping stones. Not only do they deepen our understanding of how the genome builds a body, they also hint at how we might one day rewrite its instructions for therapeutic benefit.

Da:

https://www.genengnews.com/topics/genome-editing/genetic-dimmer-switch-offers-precise-gene-expression-control/?_hsenc=p2ANqtz-9psTAMtv_-7tF1g-R8ZssY-y5T_3YhPRmOezpRZ2uEHPfytQtV2KC169yu2nLFFaYaRIQvFXTyJRsNpmlbTQ0KZcAQFkrBJRZBPFuS3JuwVy__99g&_hsmi=368849139