Gli obiettivi di questo progetto
Vogliamo contribuire a rendere gli studenti sempre più motivati, preparati e informati sui corsi di laurea scientifici.
L’obiettivo di Telethon, in collaborazione con il vostro istituto, è quello di offrirvi l’opportunità di conoscere meglio alcuni argomenti legati al mondo della scienza e della ricerca e avvicinarvi a professioni specifiche, come quella del ricercatore.
Parliamo di futuro, del vostro futuro!
Cosa fa un ricercatore universitario? INSEGNA AGLI STUDENTI UNIVERSITARI: CORSO DI GENETICA DELLO SVILUPPO E DEL DIFFERENZIAMENTO (40 STUDENTI/ANNO), CORSO DI GENETICA (150 STUDENTI/ANNO) INSEGNA AGLI STUDENTI DI DOTTORATO FA RICERCA: • Documentarsi x rimanere sempre aggiornati (riviste scientifiche, internet-PubMed, • Congressi Scientifici) • Progettare ed eseguire gli esperimenti dietro un bancone • Scrivere Progetti di Ricerca per ottenere fondi (Fondazioni, Programmi Ministeriali) • Divulgazione della propria linea di Ricerca (congressi: presentazioni orali, posters) •Scrivere e pubblicare il proprio “paper”
Laurea in -Medicina -Biologia -Biotecnologie Mediche
Acquisite le principali Competenze per fare Ricerca, ed almeno 1 pubblicazione Scientifica •Borse di studio •Contratti di Ricerca •Post-dottorato
Si impara come si fa la Ricerca nel Mondo ed… Si apre la mente a nuove Culture.
(Italia) Altri paesi Europei Stati Uniti Asia
E POI? Ci si stabilisce all’estero (siamo molto apprezzati!) Si torna in Italia (programmi MIUR) -Contratto da Ricercatore Univ. -Aziende Farmaceutiche (poche!) -Ricercatore CNR
Dottorato di Ricerca (3 anni)
Qual è il percorso professionale “tipo” di un ricercatore?
Chi sono? Conosciamoci meglio!
Ricercatore Telethon dal 1998 Biologa…. per curiosità, mi appassiona capire i meccanismi della vita 1992, Dottorato di Ricerca, in Italia 1992-7, NATIONAL INSTITUTE FOR MEDICAL RESEARCH, LONDRA …impegno, gioia, scoperta 2000, Ricercatore, Università dell’Insubria, poi Milano-Bicocca Avvio la mia ricerca grazie a Telethon
Di cosa mi occupo?
PASSIONE E IMPEGNO
•RICERCA DI BASE: come i geni orchestrano lo sviluppo del cervello
•STUDIO DELLA SINDROME da deficienza del gene Sox2, una rara malattia genetica dello sviluppo del cervello
•TUMORI del cervello
Papà Mamma
Fecondazione! MEIOSI
(testicolo) MEIOSI (ovaio)
spermatozoo ovocita
papà mamma
Geni materni
Geni paterni
cromosoma cromosoma
22 Cromosomi + Cromosoma X oppure Y
22 Cromosomi + Cromosoma X
La nostra domanda
Dai GENI: 2 metri di DNA in UNA cellula uovo fecondata…
Zygote
Nello sviluppo normale
Nella malattia:
- Malattia genetica
- Cancro
… a un nuovo individuo!
La nostra domanda, più precisamente:
I nostri GENI: 2 metri di DNA in UNA cellula uovo fecondata…
Zygote
…Il nostro CERVELLO! Nello sviluppo
normale
Nella malattia: - Malattia genetica
- Cancro
Esistono moltissimi tipi di neuroni diversi
Corteccia cerebrale
Cervelletto
Ippocampo
Midollo spinale
Esistono malattie che colpiscono specifici tipi di neuroni
Cellule Staminali Neurali
NEURONI
ASTROCITI
OLIGODENDROCITI
DIFFERENZIAMENTO
Una cellula staminale puo’ differenziare
in tipi cellulari altamente specializzati
“SELF- RENEWAL”
una cellula staminale può
produrre molte cellule staminali
uguali a se stessa
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Sviluppo e differenziamento cellulare durante lo sviluppo (inclusi neuroni e glia)…
…sono il prodotto dell’attività dei geni
Il CODICE GENETICO è universale
Sequenza lineare di nucleotidi (A,T,G,C)
del DNA
Sequenza lineare di aminoacidi (20 diversi)
della proteina
CODICE: 3 nucleotidi=1 aminoacido
Che geni studiamo?
Geni strutturali: i “mattoni” – proteine che danno alle cellule le caratteristiche della pelle (cheratina), del muscolo (proteine contrattili), del sangue (emoglobina), dei neuroni (canali di membrana, neurotrasmettitori..), della glia, …
Geni regolatori: i “programmatori”
geni regolatori importanti codificano
i fattori trascrizionali
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Un FATTORE TRASCRIZIONALE è una proteina regolatrice, che controlla
l’attività di molti geni diversi
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Due tipi di informazione nel nostro programma genetico (DNA):
Sequenze codificanti per
un prodotto: proteina (o speciali RNA “non codificanti”)
Sequenze regolative:
riconosciute e legate dai
fattori trascrizionali
Funzionano da “interruttori” dei geni
Il gene Sox2, che studiamo con Telethon, codifica (produce) un
fattore trascrizionale.
La mutazione di Sox2 nell’uomo produce malattia del cervello.
Delezione di Sox2
Mutazioni “nonsenso”
Danno una proteina Sox2
tronca, non funzionale
Come fa la riduzione di Sox2 a dare malattia? Possiamo ostacolare
La malattia, o almeno suoi aspetti?
La risonanza magnetica nei pazienti in cui è persa una copia di Sox2 mostra difetti dell’IPPOCAMPO…
…che sono spesso associati a EPILESSIA, e problemi di
APPRENDIMENTO e MEMORIA
Normal
SOX2 +/-
Normal SOX2 +/-
Cellule staminali neurali si moltiplicano e producono
nuovi neuroni in alcune regioni del cervello adulto
ippocampo
Ippocampo: una regione del cervello connessa
con la iniziale formazione della memoria
La produzione di nuovi neuroni da parte
delle cellule staminali nell’ippocampo adulto
appare richiesta per aspetti della memoria
- consolidamento-trasferimento alla corteccia
-“pattern separation”
Sox2 è attivo nel sistema nervoso centrale in via di sviluppo
Piastra neurale (primordio del sistema nervoso) Tubo neurale
…in molte specie diverse • (transgene lacZ - blu)
Sox2 promotore
Sox2 è attivo nelle CELLULE STAMINALI NEURALI che “costruiscono” il sistema nervoso, cervello incluso, durante lo sviluppo… e che rimangono attive nell’ippocampo!!
oligodendroglia
Cervello embrionale
sox2
(transgene lacZ - blu)
Sox2 promotore
Neuroni, astroglia,
differenziamento
Auto-rinnovamento:
1 cellula staminale dà
2 cellule staminali
in vitro, e in vivo
Ma quali geni regola Sox2 nelle cellule staminali neurali? I siti di legame di Sox2 nelle cellule staminali neurali sono mappati a livello di tutto il genoma, e sono molte migliaia.
nuclei
anticorpo
anti-Sox2
Immuno-
precipitazione
DNA legato da
Sox2;
sequenziamento
gene
“picco” Sox2
Per qualsiasi punto del genoma si puo’ cercare se c’è legato Sox2
…possiamo trovare geni bersaglio (“target”) di Sox2 interessanti per capire meglio la malattia?
Esempio: gli elementi regolatori del gene Sonic
Hedgehog (Shh) sono legati da Sox2
Sonic the hedgehog Gene Shh
Sequenze regolative riconosciute da Sox2
Il prodotto del gene Shh è una molecola segnale, importante per lo
sviluppo dell’ippocampo, difettivo nei pazienti con mutazioni in Sox2.
…Topi mutanti in Sox2 producono pochissimo Shh nel loro ippocampo.
…e se provassimo a fornire loro un “farmaco” che mima l’attività di
Shh?
Cellule staminali neurali adulte dell’ippocampo, perse in un modello animale di malattia genetica, possono essere recuperate somministrando molecole-segnale appropriate (un farmaco “agonista” di Shh)
Mutazione nel gene Sox2 Perdita cellule staminali
Perdita molecola-segnale Shh Difetto ippocampale
(topo;uomo)
Somministrazione farmaco
che mima l’azione di Shh
(topo)
Recupero (parziale) cellule
staminali
Recupero (parziale)
ippocampo
normale mutante Mutante +
farmaco
Cellule staminali
ippocampo
Favaro R et al., Nat. Neurosci. 2009
Recupero
Le sequenze bersaglio (target) di Sox2 nelle cellule neurali sono almeno 15000. Comprendere meglio la loro funzione può aiutarci a ipotizzare bersagli nuovi per approcci di terapia, per la malattia dovuta a mutazione di Sox2 e, forse, per malattie piu’ comuni, in cui sono presenti singoli aspetti della malattia da mutazione di Sox2, e che hanno spesso una componente genetica.
-epilessia
-problemi del movimento (atassie)
-…
I nostri esperimenti più recenti
Dove sono gli elementi regolatori (“interruttori”) dei geni? Spesso, molto molto lontano dai geni, almeno sulla mappa lineare del cromosoma….
…possono pero’ essere fisicamente associati ai geni nel nucleo della cellula, mediante interazioni “a lunga distanza” mediate da proteine
Abbiamo mappato più di 2000 interazioni “a lunga distanza”, che vengono perse quando Sox2 è mutato. Stiamo ora studiando i geni e gli elementi regolatori che vi partecipano, per meglio comprendere le origini della malattia genetica da mutazione di Sox2, e, forse, altre malattie relate dello sviluppo del cervello.
“Interruttori” dei geni (enhancers) e terapia? un esempio che ha raggiunto la fase preclinica (grazie a Telethon)
Anemia mediterranea – talassemia:
Insufficiente produzione di emoglobina, per mutazioni che impediscono il funzionamento dei geni che la producono (geni globinici). Anemia molto grave, trasfusioni frequentissime.
Ipotesi di terapia: “aggiungere” un gene dell’emoglobina, difettivo nei pazienti, che funzioni a livelli adeguati:
Terapia genica
Ma: …cosa serve al gene globinico aggiunto per funzionare a livelli adeguati? Gli “interruttori” molecolari giusti!
L’ “interruttore” LCR, posto a monte del gene globinico, stimola la sua attività in modo selettivo per le cellule produttrici di emoglobina (globuli rossi)
LCR- gene β-globinico
LCR interagisce “a lunga distanza” Con il gene β-globinico
LCR
Virus con gene terapeutico (LCR + gene globinico) – infezione del midollo osseo in coltura – reinfusione del midollo
Alcuni Libri che tuttora sanno evocarmi, in aspetti diversi, quel che trovo bellissimo nel mio mestiere di ricercatore - genetista
Jacques Monod
Il caso e la necessità (Mondadori)
Sean Carroll
Infinite forme bellissime (Boringhieri)
Sean Carroll
Brave genius: a scientist (Jacques Monod), a philosopher (Albert Camus) and their daring adventures from the French resistance to the Nobel prize (Crown Publishers, New York)
La ricerca, un percorso a tappe
1) Quali sono i geni o le regioni di Dna responsabili di una certa malattia?
2) Quale meccanismo biologico è regolato da queste porzioni di Dna? Come è alterato nelle persone malate?
3) Quale strategia posso adottare per riparare l’errore?
4) Quando una strategia si rivela efficace in laboratorio, come faccio a sapere se funziona nell’uomo?
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La sperimentazione clinica
È il momento in cui i ricercatori verificano se quanto hanno osservato in laboratorio si verifica anche nell’uomo, ovvero:
• se la potenziale terapia è sicura, ovvero non procura danni
• se la potenziale terapia è efficace, ovvero procura dei benefici
La durata di uno studio, la scelta di quanti e quali pazienti coinvolgere, la modalità con cui somministrare la terapia e i parametri da misurare per valutarne gli effetti sono aspetti fondamentali.
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La terapia funziona: e quindi?
Perché una terapia sia effettivamente disponibile per chi ne abbia bisogno occorre che qualcuno sia disponibile a produrla
• Nel caso delle malattie genetiche rare questo aspetto è particolarmente delicato, perché visto il ridotto numero di pazienti sono ridotti anche i margini di guadagno
• Per questo esistono delle particolari agevolazioni per chi sviluppa un farmaco “orfano”, di natura economica e regolatoria
• Inoltre, negli ultimi anni, è cresciuto l’interesse del mondo farmaceutico per le malattie rare, vista la generale difficoltà a sviluppare farmaci realmente innovativi per le malattie più diffuse
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Film su personaggi di fantasia…
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Forrest Gump ha la sindrome dell’X fragile
Ne “Il favoloso mondo di Amelie”
il vicino ha l’osteogenesi imperfetta
La condizione di Benjamin Button si inspira alla sindrome di Werner, o da invecchiamento precoce
Nei telefilm…
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Nella serie tv “Doctor House” la dottoressa Tredici scopre di avere la malattia di Huntington
Ma anche film ispirati a storie vere…
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Adrenoleucodistrofia Xeroderma pigmentosum
Malattia di Pompe
E libri su storie di malati rari
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Storia di un viaggio negli Usa in moto di un padre insieme al figlio affetto da autismo
Scrittore e personaggio tv affetto da talassemia major
Ma anche personaggi reali
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Stefano Borgonovo, Sla
Abraham Lincoln, sindrome di Marfan
Figlio di Colin Farrell, sindrome di Angelman
Michel Petrucciani, osteogenesi imperfetta
Annalisa Minetti, retinite pigmentosa Michael J Fox,
Parkinson giovanile
Malattie genetiche, rare e sconosciute?
Prese singolarmente sono rare…
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Gabriele, 3 anni (nella foto insieme al direttore del Tigem di Napoli Andrea Ballabio), è affetto da atrofia muscolare spinale di tipo 2: questa rara malattia dei muscoli colpisce una persona su 60mila (per capirne la rarità, basta immaginare 1 persona nello stadio San Paolo pieno).
Malattie genetiche, rare e sconosciute?
… ma nell’insieme colpiscono un numero significativo di persone, perché ne esistono oltre 8000 e se ne continuano a scoprire di nuove
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Secondo Eurordis, la federazione europea delle associazioni di malati rari, nell’Unione europea i malati rari sono circa 30 milioni di persone, pari all’intera popolazione di Belgio, Olanda e Lussemburgo.
Perché studiare le malattie genetiche?
Perché tutti hanno diritto a sperare in una cura, non importa quanto rara sia la loro malattia
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Un investimento nel futuro di tutti
Le malattie genetiche sono così rare perché riguardano meccanismi fondamentali della vita: studiarle, quindi, ci aiuta anche a capire come funziona normalmente il nostro organismo
• Grazie agli studi sui meccanismi dell’ipercolesterolemia familiare sono state sviluppate le statine, uno dei principali farmaci anti-colesterolo utilizzati oggi
• I bifosfonati, farmaci largamente utilizzati nel trattamento dell’osteoporosi, sono nati originariamente per il trattamento di una rara malattia ossea, l’ipofosfatasia
• Gli studi sulla fibrodisplasia ossificante progressiva hanno permesso di capire perché si forma osso nei tessuti molli negli interventi chirurgici sulle articolazioni
• Studiando la lipodistrofia congenita generalizzata, si sono compresi molti aspetti importanti sulla resistenza all’insulina, utili per la gestione del diabete di tipo 2
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Il ruolo della Fondazione Telethon
Telethon è una delle principali charity italiane che dal 1990, su mandato di una comunità di pazienti affetti da distrofia muscolare, finanzia la migliore ricerca per arrivare alla cura delle malattie genetiche rare. Per queste malattie, proprio a causa della loro rarità, spesso non esiste ricerca, non esistono terapie, non esiste una cura. Vogliamo cambiare questo stato di cose perché per noi ogni persona è importante.