Con una nuova tecnica di sequenziamento dell’RNA, gli scienziati di Harvard spingono oltre la comprensione delle differenze tra comportamento delle reti molecolari nei processi normali e nei processi patologici, aggiungendo un importante tassello allo studio delle predisposizioni genetiche a determinate patologie.

TAKEAWAY

• Diverse patologie, tra cui il cancro e i disturbi neurologici, sono caratterizzate – a livello biologico – da cambiamenti nella quantità e nella distribuzione delle molecole di RNA.
• Per consentire l’analisi di tali variazioni, nel 2014 i biologi dell’Università di Harvard, sviluppano una tecnica di sequenziamento dell’RNA denominata “FISSEQ”, i cui limiti di precisione hanno però lasciato aperti molti dubbi.
• Con l’obiettivo di superare questi limiti, lo stesso team, di recente, ha sviluppato una nuova tecnica che, rispetto alla precedente, semplifica molti passaggi, conducendo a una comprensione più profonda del comportamento delle reti molecolari.

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Genomica e sequenziamento RNA hanno ormai assunto un’importanza basilare nell’analizzare le variabilità genetiche e nell’identificare le correlazioni tra queste e la predisposizione ad alcune malattie, tra cui quelle neurodegenerative e del metabolismo, fino ad arrivare ai tumori.

Un’inedita ricerca americana tenta di allargare l’orizzonte di quel filone di studi che guarda al quadro complessivo dello stato di espressione genica della cellula, per arrivare a cogliere eventuali mutazioni, presagio di determinate patologie. Ma procediamo con ordine.

L’acido ribonucleico (o RNA, dall’inglese RiboNucleic Acid), insieme al DNA – e con proteine, carboidrati e lipidi – rientra tra le macromolecole essenziali a tutte le forme di vita. Qual è la sua funzione? È implicato nei ruoli biologici di codifica, decodifica, regolazione ed espressione dei geni.

In particolare, le cellule umane trascrivono la metà dei loro geni (circa 20.000) in molecole di RNA, la cui funzione non dipende solo dalla loro quantità, ma anche dalla loro precisa localizzazione all’interno dello spazio tridimensionale di ogni cellula.

Molte molecole di RNA (dette RNA messaggeri o mRNA) trasmettono informazioni geniche dal nucleo della cellula al meccanismo di sintesi delle proteine. Mentre altre regolano i geni e la loro espressione. E altre hanno funzioni che ancora sono da scoprire.

È stato appurato che diverse patologie, tra cui il cancro e i disturbi neurologici, sono caratterizzate – a livello biologico – da cambiamenti nella quantità e nella distribuzione delle molecole di RNA.

Per consentire la trascrittomica, ossia l’analisi del trascrittoma (l’insieme degli RNA messaggeri all’interno di un determinato tipo di cellula, organo o tessuto), nel 2014, i biologi del Wyss Institute dell’Università di Harvard, guidati da George Church – professore di genetica presso l’Harvard Medical School e di Scienze e Tecnologia della salute all’Harvard e al MIT – in tema di genomica e sequenziamento RNA sviluppano una tecnica di sequenziamento dell’RNA denominata “FISSEQ”, in grado di leggere simultaneamente le sequenze di migliaia di RNA e di visualizzarne le coordinate tridimensionali.

Ma questo metodo ha un limite: la sua precisione nel rilevare i cambiamenti nella quantità e nella distribuzione dell’RNA nelle cellule tumorali e nelle cellule neuronali è relativamente bassa, specialmente quando il paziente si trova nella fase iniziale del cancro o di una malattia neurologica.

Genomica e sequenziamento RNA: dal Wyss Institute di Harvard una nuova tecnica di analisi del trascrittoma

Con l’obiettivo di superare questi limiti, in uno studio pubblicato il 17 marzo 2021 sulla rivista accademica Nucleic Acids Research, il team di Church sviluppa un nuovo metodo di rilevamento chiamato “BOLORAMIS”. Commenta il professore:

“Con questa nuova tecnica di sequenziamento dell’RNA abbiamo risolto alcune delle sfide che le tecnologie nel campo della trascrittomica stanno affrontando. In particolare, il metodo BOLORAMIS ci offre un vantaggio significativo nella comprensione delle differenze tra comportamento delle reti molecolari nei processi normali e comportamento delle reti molecolari nei processi patologici, aiutandoci nello studio di nuovi bersagli farmacologici e nello sviluppo della diagnostica clinica basata sul contesto nativo dei tessuti”

Ricordiamo che, nell’ambito della genomica e sequenziamento RNA, la trascrittomica mira a catalogare tutte le specie di trascritti (compresi mRNA e piccoli RNA), a definire la struttura trascrizionale dei geni e a quantificare i livelli di espressione di ogni trascrizione. Il fine è quello di giungere a rilevare mutazioni correlabili all’insorgenza di determinate malattie.

Col metodo FISSEQ, tutti gli RNA vengono prima fissati in posizione, quindi l’intera sequenza viene copiata nella sua sequenza di DNA complementare (trascrizione inversa), che viene poi amplificata in sfere di DNA più grandi.

Invece, la forza del metodo BOLORAMIS – puntualizza Songlei Liu, tra gli autori dello studio e membro del team di Church – risiede nel fatto che le sue sonde hanno un’impronta molto breve sugli RNA, oltre poi ad essere in grado di eliminare la necessità di repliche del DNA, evitando così di produrre risultati non precisi.

“Con la tecnica BOLORAMIS, bypassando questo passaggio di trascrizione inversa e amplificando direttamente il segnale dell’RNA, riduciamo i segnali non specifici e i falsi positivi” conclude Liu.

Nel dettaglio, le sonde BOLORAMIS si legano strettamente, come un lucchetto, a una piccola sequenza di soli 25 nucleotidi in una molecola di RNA e, dunque, hanno un’impronta molto più piccola rispetto ad altri metodi di trascrittomica, il che migliora la risoluzione al microscopio e la conseguente analisi.

La ricerca futura: facilitare la diagnosi precoce delle malattie di origine genetica

Durante i primi test, effettuati su cellule tumorali, il metodo BOLORAMIS è stato in grado di tracciare con precisione la posizione e i movimenti di un RNA non codificante – noto come MALAT1 – che fa la spola tra due diverse posizioni subcellulari, il nucleo e il citoplasma. Osserva il professor Church:

“Abbiamo utilizzato, in particolare, un sistema di co-coltura di cellule neuronali e di cellule immunitarie cerebrali – note per interagire in molti processi normali e patologici – e abbiamo mirato simultaneamente a 96 diversi RNA messaggeri. Questo ci ha permesso di scoprire le relazioni spaziali tra specifiche cellule e molecole RNA“

In materia di genomica e sequenziamento RNA, la ricerca futura potrebbe trarre vantaggio dall’elevata funzionalità di BOLORAMIS nel decifrare la firma dell’RNA nei disturbi neurologici, spiega il team di studio.

E il direttore del Wyss Institute, Donald Ingber – ricercatore e professore di Biologia vascolare presso il Boston Children’s Hospital, nonché professore di Bioingegneria presso l’Harvard John A Paulson School of Engineering and Applied Sciences – sottolinea che i risultati raggiunti dalla nuova tecnica di sequenziamento dell’RNA possono aprire la strada a una comprensione sempre più profonda di come l’organizzazione cellulare e l’organizzazione dei tessuti influiscono, da un lato, sulla normale fisiologia e, dall’altro, sugli stati patologici complessi, facilitando così la diagnosi precoce delle malattie di origine genetica.