Il Salk Institute ha condotto una ricerca rivoluzionaria nell’ambito dell’iniziativa BRAIN, analizzando oltre 2 milioni di cellule cerebrali di topo, rivelando dettagli intricati sui tipi di cellule cerebrali e sulla regolazione genica, migliorando la comprensione delle funzioni e dei disturbi cerebrali. Questo lavoro, pubblicato il 13 dicembre 2023 in un numero speciale di Nature, non solo dettaglia i migliaia di tipi di cellule presenti nel cervello, ma anche come queste cellule si connettono e quali geni e programmi regolatori sono attivi in ogni cellula.
Il ruolo dell’iniziativa BRAIN
Gli sforzi sono stati coordinati dall’iniziativa Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies® (BRAIN Initiative®) dei National Institutes of Health, che mira a produrre una nuova immagine dinamica dei cervelli dei mammiferi. L’iniziativa BRAIN è stata lanciata nel 2014 e ha fornito più di 3 miliardi di dollari in finanziamenti ai ricercatori per sviluppare tecnologie trasformative e applicarle alla scienza del cervello.
Progressi nell’analisi delle cellule cerebrali
“Con questo lavoro, abbiamo ottenuto molte informazioni su quali cellule compongono il cervello del topo, ma anche su come i geni sono regolati all’interno di queste cellule e come ciò guida le funzioni delle cellule”, afferma il professor Joseph Ecker, che ha contribuito a quattro dei nuovi articoli. “Quando si prende questo atlante delle cellule basato sull’epigenoma e si inizia a guardare le varianti genetiche note per causare malattie umane, si ottiene una nuova comprensione su quali tipi di cellule possono essere più vulnerabili nella malattia”.
Analisi dell’intero cervello e accessibilità pubblica
“Questo è l’intero cervello, che non è mai stato fatto prima”, afferma il professor Edward Callaway, autore senior di due dei nuovi articoli. “Ci sono idee e principi che emergono guardando l’intero cervello che non si conoscono guardando una parte alla volta”. Per aiutare altri ricercatori che studiano il cervello del topo, i nuovi dati sono disponibili pubblicamente attraverso una piattaforma online, che può essere cercata attraverso un database ma anche interrogata utilizzando lo strumento di intelligenza artificiale ChatGPT.
Atlante della metilazione del DNA a singola cellula
Per determinare tutti i tipi di cellule nel cervello del topo, i ricercatori del Salk hanno impiegato tecniche all’avanguardia che analizzano una singola cellula cerebrale alla volta. Questi metodi a singola cellula hanno studiato sia la struttura tridimensionale del DNA all’interno delle cellule sia il modello di gruppi chimici metilici attaccati al DNA, due modi diversi in cui i geni sono controllati dalle cellule. Nel 2019, il gruppo di laboratorio di Ecker ha introdotto approcci per effettuare contemporaneamente queste due misurazioni, consentendo ai ricercatori di capire non solo quali programmi genetici sono attivati in diversi tipi di cellule, ma anche come questi programmi vengono attivati e disattivati.
Mappe del cromatina a singola cellula
Un altro modo per determinare indirettamente la struttura del DNA e quali tratti di materiale genetico vengono attivamente utilizzati dalle cellule è testare quale DNA è fisicamente accessibile ad altre molecole che possono legarsi ad esso. Utilizzando questo approccio, chiamato accessibilità della cromatina, i ricercatori guidati da Bing Ren della UC San Diego, tra cui Ecker e Behrens del Salk, hanno mappato la struttura del DNA in 2,3 milioni di singole cellule cerebrali di 117 topi.
In conclusione, la ricerca del Salk Institute ha aperto nuove frontiere nella comprensione del cervello, fornendo strumenti potenti per studiare le malattie cerebrali e sviluppare nuove terapie. Con l’accessibilità pubblica dei dati e l’uso di tecnologie all’avanguardia, la comunità scientifica è ora meglio attrezzata per affrontare le sfide poste dai disturbi neurologici.
La rivoluzione della genetica umana
La genetica umana ha subito una trasformazione radicale nel corso dell’evoluzione umana. Gli scienziati hanno scoperto che quasi l’80% degli elementi regolatori unici agli esseri umani sono elementi trasponibili, ovvero piccole sezioni mobili del DNA che possono facilmente cambiare posizione all’interno del genoma. Questa scoperta ha permesso di identificare correlazioni tra l’evoluzione di particolari proteine regolatorie e l’evoluzione dei modelli di espressione genica.
Il ruolo degli elementi trasponibili
Gli elementi trasponibili sono stati identificati come una componente chiave nella regolazione genetica umana. Questi elementi, in grado di spostarsi all’interno del genoma, hanno un impatto significativo sull’espressione dei geni e sulla loro evoluzione. La scoperta che costituiscono quasi l’80% degli elementi regolatori unici agli esseri umani apre nuove prospettive sulla comprensione della biologia umana e della sua evoluzione.
La regolazione genetica e l’evoluzione
La ricerca ha evidenziato come l’evoluzione delle proteine regolatorie sia strettamente legata all’evoluzione dei modelli di espressione genica. Questo legame suggerisce che le modifiche nella regolazione genetica possono avere un impatto diretto sull’adattamento e la sopravvivenza delle specie nel corso dell’evoluzione.
Una risorsa per la ricerca futura
Il lavoro svolto dai ricercatori è stato definito come una “piattaforma” per gli studi futuri. Questa risorsa permette agli scienziati di esplorare le connessioni cellulari e i meccanismi di regolazione in modo più approfondito, consentendo loro di porre nuove domande e di esplorare nuovi orizzonti nella ricerca genetica.
Un atlante per la genetica cellulare
I dati raccolti offrono una mappa dettagliata delle connessioni cellulari e dei meccanismi di regolazione. Gli scienziati possono ora utilizzare queste informazioni per studiare specifici tipi cellulari e comprendere meglio come sono regolati e come interagiscono tra loro.
Un impulso per la ricerca personalizzata
La disponibilità di queste informazioni apre la strada a studi più personalizzati e mirati. I ricercatori possono utilizzare l’atlante genetico per indagare specifiche questioni legate alla regolazione genetica, accelerando così il progresso scientifico in questo campo.
In conclusione, la scoperta del ruolo degli elementi trasponibili nella regolazione genetica umana e la creazione di una risorsa dettagliata per la ricerca futura rappresentano un passo avanti significativo nella comprensione dell’evoluzione umana e della genetica. Questi risultati non solo arricchiscono la nostra conoscenza della biologia umana, ma offrono anche nuove opportunità per lo sviluppo di terapie genetiche e per la ricerca personalizzata.
