Il "rumore epigenetico" cambia l'identità cellulare / "Epigenetic Noise" Changes Cellular Identity

 Il "rumore epigenetico" cambia l'identità cellulare /  "Epigenetic Noise" Changes Cellular Identity

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

Una nuova ricerca suggerisce che il modo in cui il DNA è confezionato può consentire alle cellule di assumere l'identità di altri tipi di cellule.

Tutte le cellule del corpo contengono lo stesso DNA, ma diversi tipi di cellule esprimono geni diversi: le cellule della pelle esprimono geni per la pelle, le cellule del fegato esprimono geni per il fegato e così via. Questa coordinazione è fondamentale per aiutare le cellule a differenziarsi nei ruoli assegnati, ma un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Università di Chicago mostra come le cellule possano "scuotere" casualmente regioni del genoma per esprimere geni normalmente riservati ad altri tipi di cellule.

Lo studio, pubblicato questa settimana su  Nature, suggerisce che la casualità o la variabilità nel modo in cui il DNA viene impacchettato può creare una sorta di "rumore epigenetico", consentendo alle cellule di assumere l'identità di diversi tipi cellulari. Questa flessibilità svolge un ruolo importante nella riparazione dei tessuti e nel sistema immunitario, ma può anche essere sfruttata per lo sviluppo di tumori.

"Riteniamo che questa capacità di cambiare l'identità di una cellula sia sottovalutata ed abbiamo voluto indagare i meccanismi alla base del modo in cui le cellule riescono a cambiare il loro destino", ha affermato Andrew Koh, PhD, professore associato di patologia presso l'Università di Chicago ed autore principale del nuovo studio. 

Aperto, rumoroso e traballante

Koh e il neo-dottorato Noah Gamble, autore principale dello studio, hanno lavorato con un gruppo di cellule incredibilmente ingegnose chiamate cellule epiteliali timiche midollari (mTEC). Queste cellule si trovano nel timo, un piccolo organo specializzato del sistema immunitario situato appena sopra il cuore. Sono uno dei pochi tipi di cellule nel corpo in grado di esprimere un'ampia varietà di geni e di modificare la propria identità per rispecchiare i tipi di cellule di altri tessuti.

Le cellule mTEC svolgono un ruolo importante nell'addestramento del sistema immunitario a prevenire l'autoimmunità. Presentano proteine ​​normalmente espresse solo in tessuti ed organi specializzati ai linfociti T in via di sviluppo nel timo. Quindi, i linfociti T che reagiscono in modo troppo forte alle molecole provenienti dalle cellule stesse dell'organismo vengono eliminati in modo che non scatenino in seguito una risposta autoimmune.

La capacità di esprimere quasi tutti i geni e di alterarne l'identità ha reso le cellule mTEC un ottimo candidato per studiare come le cellule possano cambiare il proprio destino. "Ogni singola cellula non esprime l'intero genoma. Esprime invece solo un sottoinsieme unico di geni tessuto-specifici in ogni dato momento", ha affermato Koh. "C'è molta eterogeneità, quindi abbiamo pensato che fosse davvero importante analizzare cellula per cellula per scoprire i meccanismi che consentono l'attivazione di ciascun sottoinsieme di geni tessuto-specifici".

Poiché tale eterogeneità è importante, Gamble ha utilizzato una serie di tecniche di sequenziamento di singole cellule per studiare l'espressione genica e la struttura della cromatina in singole mTEC, invece di utilizzare i tradizionali strumenti di sequenziamento in blocco che calcolano la media dei risultati su migliaia di cellule.

La cromatina è il complesso di DNA e proteine ​​nel nucleo che impacchetta lunghi tratti di DNA in strutture più compatte. Quando la cromatina è meno compatta, od aperta, i geni sono più predisposti ad essere attivati ​​rispetto a quando è strettamente avvolta.

Quando Gamble analizzò i dati, non trovò collegamenti tra i livelli massimi di accessibilità della cromatina e l'espressione di geni tessuto-specifici. Invece, osservò un notevole "rumore" di accessibilità che forniva alle cellule il potenziale per attivare geni espressi esclusivamente in altri tessuti specializzati. Questa "espressione ectopica", a sua volta, aiutava ad addestrare i linfociti T a discriminare tra self e non-self.

"La cromatina è solitamente strettamente regolata per sequestrare regioni che codificano altri destini cellulari e concentrare l'accessibilità alle regioni pertinenti all'identità cellulare stabilita", ha affermato Gamble. "Nel nostro contesto, abbiamo scoperto che le regioni genomiche che dovrebbero essere strettamente raggruppate erano più labili o 'agitate', consentendo maggiori opportunità ai fattori di accedere ed attivare geni specifici per diversi tipi di cellule".

Evitare il "guardiano del genoma"

Il gruppo ha quindi cercato di capire come questo "rumore della cromatina" venga amplificato nelle cellule. Hanno scoperto che l'attività della proteina oncosoppressore p53, nota come "guardiano del genoma", viene repressa dalle cellule tumorali prima che il loro genoma diventi rumoroso. p53 si attiva solitamente quando il DNA è danneggiato e può innescare la morte cellulare od arrestare la crescita delle cellule tumorali. Quindi, per Gamble e Koh era logico che fosse implicata in un processo in cui le cellule epiteliali esprimono promiscuamente geni dedicati ad altri tessuti ed organi.

Quando i ricercatori hanno modificato geneticamente l'attività di p53 per potenziarla nelle cellule mTEC, la loro cromatina è diventata più stabile, il rumore epigenetico è stato ridotto e le cellule non sono più state in grado di attivare geni tessuto-specifici. Ciò ha portato alla fuoriuscita di linfociti T autoreattivi dal timo, causando malattie autoimmuni multiorgano.

"Questo suggerisce che le cellule epiteliali timiche adottino stati devianti che normalmente dovrebbero innescare l'attivazione di p53 e la morte cellulare", ha affermato Koh. "Ma poiché p53 è sottoregolato, le cellule sopravvivono e facilitano questa espressione genica ectopica per promuovere la discriminazione tra sé e non sé".

È un'idea affascinante pensare che le cellule siano programmate per allentare la presa sui geni per avere più libertà di essere creative e risolvere problemi come impedire ai linfociti T di attaccare i propri tessuti. Koh e Gamble hanno esteso i loro studi e hanno scoperto che il rumore epigenetico consente anche al cancro ai polmoni di campionare una parte maggiore del genoma una volta che p53 è stato eliminato. Questo attiva programmi specifici per altri tessuti che li portano a sviluppare stati più aggressivi e maligni. Sperano di continuare a studiare se altri tipi di cancro sfruttano meccanismi simili per la tumorigenesi.

Il gruppo vuole anche verificare se il rumore epigenetico viene amplificato per la guarigione delle ferite e la riparazione dei tessuti e se può essere sfruttato per riprogrammare le cellule in fenotipi alternativi per vari contesti clinici, tra cui l'immunoterapia del cancro ed il trattamento dell'autoimmunità.

"Ha senso che per potenziare un sistema immunitario che utilizza un processo casuale per riconoscere praticamente qualsiasi entità nell'universo, le cellule epiteliali timiche amplifichino il rumore casuale nel genoma per garantire che il sistema immunitario si concentri su patogeni e tumori e non sui propri tessuti. È come combattere il fuoco con il fuoco", ha detto Gamble. "La morale della favola è che a volte il rumore di fondo casuale può essere importante quanto il segnale."

ENGLISH

New research suggests that the way DNA is packaged can enable cells to take on the identity of other cell types.

All cells in the body contain the same DNA, but different cell types express different genes; skin cells express genes for the skin, liver cells express liver genes, and so on. This coordination is crucial to help cells differentiate into their assigned roles, but a new study from researchers at the University of Chicago shows how cells can randomly “shake up” regions of the genome to express genes normally reserved for other cell types.

The study, published this week in Nature, suggests that randomness or variability in the way DNA is packaged can create a kind of “epigenetic noise,” enabling cells to take on the identify of different cell types. This flexibility plays an important role in tissue repair and the immune system but can also be exploited for the development of tumors.

“We believe that this capacity to change a cell’s identity is underappreciated, and we wanted to investigate the mechanisms underlying how cells are able to change their fates,” said Andrew Koh, PhD, Assistant Professor of Pathology at UChicago and senior author of the new study. 

Open, noisy, and jiggly

Koh and recent PhD graduate Noah Gamble, the study’s lead author, worked with an incredibly resourceful group of cells called medullary thymic epithelial cells (mTECs). These cells are found in the thymus, a small, specialized organ of the immune system located just above the heart. They are one of the few cell types in the body that can express a wide variety of genes and alter their identity to mirror cell types from other tissues.

mTECs play an important role in training the immune system to prevent autoimmunity. They present proteins that are normally expressed only in specialized tissues and organs to T cells developing in the thymus. Then, the T cells that react too strongly to molecules from the body’s own cells are purged so they don’t later trigger an autoimmune response.

The capability to express almost any gene and alter their identities made mTECs a great candidate for studying how cells can change their fates. “Each individual cell does not express the entire genome. Instead, they express only a unique subset of the tissue-specific genes at any given snapshot,” Koh said. "There's a great deal of heterogeneity, so we thought that it was really important to look cell-by-cell to uncover the mechanisms that allow the activation of each subset of tissue-specific genes.”

Since such heterogeneity is important, Gamble used a series of single cell sequencing techniques to study gene expression and chromatin structure in individual mTECs, instead of using traditional bulk sequencing tools that average the results over thousands of cells.

Chromatin is the complex of DNA and proteins in the nucleus that packages long stretches of DNA into more compact structures. When chromatin is more loosely packed, or open, genes are more poised to be activated than if it’s tightly coiled.

When Gamble analyzed the data, he did not find links between peak levels of chromatin accessibility and the expression of tissue-specific genes. Instead, he saw a lot of accessibility “noise” that gave cells the potential to activate genes solely expressed in other specialized tissues. This “ectopic expression” in turn helped train T cells to discriminate between self and non-self.

“Chromatin is usually tightly regulated to sequester regions that encode other cell fates and focus accessibility for regions pertinent for the established cell identity,” Gamble said. “In our context, we found the genomic regions that should be tightly packed were more labile or ‘jiggly’, allowing more opportunities for factors to access and activate genes specific to different cell types.”

Avoiding the ‘guardian of the genome’

The team then tried to understand how this “chromatin noise” is amplified in cells. They found that the activity of the tumor suppressor protein p53, known as “the guardian of the genome,” is repressed by mTECs prior to their genome becoming noisy. p53 is usually activated when DNA is damaged and can trigger cell death or stop tumor cell growth. So, it made sense to Gamble and Koh that it would be implicated in a process where epithelial cells promiscuously express genes dedicated to other tissues and organs.

When the researchers genetically engineered p53 activity to be enhanced in mTECs, their chromatin became more stable, epigenetic noise was turned down, and the cells could no longer activate tissue-specific genes. This ultimately resulted in the escape of self-reactive T cells from the thymus to cause multi-organ autoimmune disease.

“This suggests that thymic epithelial cells adopt deviant states that should normally trigger p53 activation and cell death,” Koh said. “But because p53 is downregulated, the cells survive and facilitate this ectopic gene expression to promote the self/non-self discrimination.”

It’s a fascinating idea to think that cells are programmed to loosen their grip on genes to give them more freedom to get creative and solve problems like preventing T cells from attacking their own tissues. Koh and Gamble extended their studies and found that epigenetic noise also allows lung cancer to sample more of the genome once p53 is deleted. This activates programs specific to other tissues to develop into more aggressive, malignant states. They hope to continue studying whether other cancer types exploit similar mechanisms for tumorigenesis.

The team also wants to see if epigenetic noise is amplified for wound healing and tissue repair, and whether or not it can be leveraged to reprogram cells to alternate phenotypes for various clinical contexts, including cancer immunotherapy and treating autoimmunity.

“It makes sense that to empower an immune system that uses a random process to recognize virtually any entity in the universe, thymic epithelial cells amplify random noise in the genome to ensure the immune system is focused on pathogens and cancers and not its own tissues. It's fighting fire with fire,” Gamble said. “The moral of the story is that sometimes the random background noise can be just as important as the signal.”

Da:

https://www.technologynetworks.com/genomics/news/epigenetic-noise-changes-cellular-identity-403742