Una panoramica generale

La conoscenza dei meccanismi epigenetici non è cruciale solo per una miglior comprensione del normale sviluppo del cervello, la sua plasticità e funzionamento, ma anche per una miglior analisi di quei processi che risultano alterati in varie patologie. Grazie a questo approccio, si vuole giungere all’identificazione di modulatori della malattia, molecole da ‘bloccare’ o da ‘preservare’ durante gli stadi precoci della malattia. Il nostro laboratorio si prefigge di investigare le basi epigenetiche (complessi che rimodellano la cromatina, modifiche istoniche e RNA non-codificanti) a supporto di funzioni cerebrali complesse e come un loro alterato funzionamento, possa contribuire all’insorgere di malattie neurodegenerative e del neurosviluppo. Il laboratorio usa due paradigmi di patologie genetiche del sistema nervoso centrale: un paradigma di neurosviluppo – le malattie dello SPETTRO AUTISTICO e un paradigma di neurodegenerazione - la MALATTIA DI HUNTINGTON.

Ricerca

SINEUP RNAs: una nuova piattaforma per il trattamento dell’aplo-insufficienza nel Disturbo dello Spettro Autistico (DSA)

Recentemente finanziato da: Simons Foundation Autism Research Initiative (SFARI) - Genomics of ASD: Pathways to Biological Convergence and Genetic Therapies (2023-2025)

l Disturbi dello Spettro Autistico (DSA) rappresentano una condizione patologica altamente eterogenea, ma con forte componente genetica. La maggior parte delle mutazioni descritte in associazione con DSA sono mutazioni de novo che causano ridotta espressione o funzionalità proteica (aplo-insufficienza). Considerando che generalmente un solo allele è colpito, un potenziale approccio terapeutico consiste nella stimolazione dell’espressione dell’allele non-mutato, ristabilendo pertanto il livello fisiologico della proteina espressa. Ecco allora l’idea di sfruttare la modularità delle molecole di SINEUP, una classe di RNA non-codificanti capaci di aumentare i livelli di espressione di una proteina bersaglio senza però andare a modificare i livelli del trascritto originale.

In un recente studio del nostro laboratorio, abbiamo creato molecole sintetiche di SINEUP per bersagliare la proteina Chromodomain helicase DNA-binding 8 (CHD8), uno dei più prominenti fattori di rischio per DSA. Mediante l’uso di queste molecole di SINEUP-CHD8, siamo riusciti a stimolare efficientemente la produzione della proteina endogena CHD8 in cellule umane, in fibroblasti derivati da pazienti DSA con mutazioni su CHD8 e in un modello acquatico (zebrafish). Le proteine neo-prodotte sono perfettamente funzionanti e riescono a recuperare fenotipi molecolari associati alla soppressione di CHD8.

Pertanto, capitalizzando su questi promettenti risultati, ci proponiamo adesso di sviluppare una Proof-of-Concept per lo sviluppo di una terapia - basata su RNA - per il trattamento di patologie causate da aplo-insufficienza. Nello specifico:

• Testeremo l’efficacia di SINEUP-Chd8 nel recupero di fenotipi associati alla repressione di Chd8 in vivo, in un modello preclinico murino.
• Trasferiremo le nozioni apprese attraverso gli studi su SINEUP-CHD8, sintetizzando nuove molecole di SINEUP che bersaglino altri rilevanti fattori di rischio per ASD, sempre associati a casi di aplo-insufficienza.

Disfunzioni telomeriche nel Disturbo dello Spettro Autistico

I telomeri, peculiari strutture che ‘proteggono’ le estremità dei cromosomi eucariotici, hanno una cruciale importanza nella replicazione del DNA e nella preservazione dell’integrità del genoma. Variazioni nella lunghezza dei telomeri (TL) o nella loro integrità sono chiaramente associate a processi patologici: non solo esplicitamente associati a varie forme di cancro, ma anche a disturbi neuropsichiatrici. D’interesse, recenti studi riportano alterazioni nella TL in pazienti affetti da DSA.

L’integrità dei telomeri è regolata da TERRA, un gruppo di RNA non-codificanti (ncRNA), sintetizzati a partire da regioni sub-telomeriche, che poi si estendono ai telomeri stessi. L’abbondanza dei TERRA è strettamente legata alla stabilità dei telomeri e, conseguentemente, a quella dei cromosomi. Di particolare interesse sono i regolatori della cromatina della famiglia delle chromodomain helicase DNA binding proteins (CHD8, CHD2, CHD1, CHD3) e le heterogeneous ribonucleoproteins (hnRNPs), tutti rilevanti fattori di rischio per DSA, nonché capaci di interagire con i TERRA.

L’insieme di queste osservazioni suggerisce un aspetto biologico finora trascurato nel contesto di DSA: una potenziale interazione funzionale tra TERRA, telomeri e fattori di rischio in DSA. Alterazioni nella regolazione di queste reti di interazione potrebbero correlare con una alterata lunghezza dei telomeri e integrità genomica, processi di rilievo per DSA e potenzialmente importanti per l’identificazione di nuove forme di terapia.

Approcci genetici allo studio della Malattia di Huntington (HD): studi morfologici, genomici e trascrittomici a livello di single-cell.

Questa malattia ereditaria a carattere autosomico dominante è causata dall’espansione della ripetizione del tri-nucleotide CAG nell’esone 1 del gene HTT. Il processo patologico è generalmente associato alla degenerazione dei neuroni striatali, corticali, per poi, in ultimo, causare la morte del paziente.

• Neuroni Gabaergici Spinosi di Medie Dimensioni (MSNs) che esprimono D1R o D2R: studio morfologico e molecolare per comprendere le basi della diversa vulnerabilità alla mutazione della Malattia di Huntington.
  I neuroni MSNs (D1R e D2R) costituiscono il 95% della popolazione neuronale striatale. Considerando che la proteina huntingtina è espressa ubiquitariamente, che cosa determina la maggiore vulnerabilità dei MSNs alla mutazione? Ed in particolare: perché i MSNs di tipo D1R e D2R presentano suscettibilità diverse in HD? Il nostro progetto si propone di caratterizzare le differenze tra queste due sub-popolazioni neuronali in vivo – utilizzando il modello murino knock-in zQ175 che replica fedelmente la condizione genetica umana. Integreremo analisi morfologiche, trascrittomiche e di instabilità somatica.
• Il Sistema Nervoso Enterico (ENS) nella Malattia di Huntington (HD): fenotipi spesso trascurati come nuovi modulatori della patologia.
  Recentemente finanziato da European Huntington’s Disease Network (EHDN)
  Se i fenotipi a livello del sistema nervoso centrale sono ben documentati in HD, numerosi sono i sintomi periferici altamente debilitanti, ma meno documentati [perdita di peso involontaria, disfunzioni del tratto gastro-intestinale (GI)], che hanno un impatto significativo sulla qualità di vita del paziente. Costituito da più di una dozzina di tipi di neuroni differenti, l’ENS controlla i movimenti del GI, le sue secrezioni, la digestione, la peristalsi e altre funzioni. Alterazioni a carico dell’ENS portano a disfunzioni del GI, tra cui disfagia, associata all’insorgenza di polmoniti, spesso fatali per i pazienti HD. In questo studio ci prefiggiamo di caratterizzare variazioni nel GI ascrivibili ad alterazioni nell’ENS, facendo uso di topi transgenici zQ175. Nello specifico, ci occuperemo di:
  • Fornire una caratterizzazione anatomica complessiva delle possibili alterazioni a carico dell’ENS;
  • Valutare il funzionamento del GI;
  • Effettuare un’analisi single-cell per caratterizzare alterazioni trascrizionali di neuroni e cellule gliali enterici.

Alterazioni degli RNA circolari (circRNAs) nella patogenesi della Malattia di Huntington (HD)

La regolazione dei processi di splicing alternativo non è cruciale solo nella genesi del repertorio di isoforme di RNA che codificano per proteine essenziali per il corretto mantenimento di funzioni fisiologiche della cellula (in particolar modo dei neuroni), ma anche per la biogenesi di RNA circolari (circRNAs). Insolitamente stabili alla degradazione, questi RNA non-codificanti vengono prodotti dalla circolarizzazione di esoni e sono particolarmente arricchiti nei neuroni. Negli ultimi anni, la loro rilevanza come regolatori della fisiologia della cellula, nello sviluppo e in condizioni patologiche, è diventata ampiamente evidente.

• Il principale obbiettivo della nostra ricerca è quello di identificare, tramite analisi genome-wide, alterazioni nella biogenesi o espressione di circRNAs correlate all’espressione della proteina huntingtina mutata. Un recente studio del nostro laboratorio, suggerisce che la proteina huntingtina mutata, in vitro, regoli l’attività dello splicing alternativo, non solo controllando lo splicing dei trascritti lineari, ma anche la produzione dei circRNAs. Costruendo su questi dati, intendiamo estendere l’analisi in vivo, utilizzando i modelli murini knock-in zQ175, studiando come l’espressione della proteina huntingtina mutata possa alterare la biogenesi di circRNAs in diversi distretti corporei e a diversi stadi del processo patologico al fine di identificare nuovi bersagli per interventi terapeutici e anche nuovi, affidabili biomarcatori specifici per HD.
• Recentemente, il nostro laboratorio ha identificato e validato sperimentalmente il primo circRNA, circHTT, che origina dal locus di HTT. circHTT è arricchito nel sistema nervoso centrale, conservato in topo e mini-pig. Ne abbiamo validato la circolarità mediante l’uso di primer divergenti, sequenziamento e trattamento mediante RNasi R. L’espressione di circHTT/circHtt aumenta in maniera significativa con l’aumentare delle ripetizioni di GAC, sia in neuroni terminalmente differenziati che in diverse aree del cervello di modelli murini di HD. Il nostro scopo è quello di caratterizzarne temporalmente e spazialmente le dinamiche d’espressione di circHtt, per poi approfondire le sue funzioni a livello cellulare e molecolare nel sistema nervoso e la sua potenziale rilevanza nella patofisiologia di HD.

Recentemente finanziato da Hereditary Disease Foundation (HDF) and European Molecular Biology Organization (EMBO fellowship, ALTF 897-2021).

Membri del gruppo

• Marta Biagioli, Ph.D., Principal Investigator
• Jasmin Morandell, Ph.D., EMBO postdoctoral fellow (ALTF 897-2021)
• Guendalina Bergonzoni, Ph.D Student in Biomolecular Sciences (UNITN)
• Miguel Pellegrini, MsS in Cellular and Molecular Biotechnologies (UNITN)
• Samuele Maturi, Master’s student in Cellular and Molecular Biotechnologies (UNITN)
• Dalia Bortolotti, Master’s student in Cellular and Molecular Biotechnologies (UNITN)
• Lisa Lionello, Bachelors’s student in Biomolecular Sciences and Technologies (UNITN)
• Martina Lazioli, Bachelor’s student in Biomolecular Sciences and Technologies (UNITN)

Siamo alla ricerca di borsisti post-dottorato, studenti di master e di dottorato altamente motivati e competitivi, interessati a questi argomenti. Per informazioni, contattare il PI (marta.biagioli [at] unitn.it).

Collaborazioni

We are part of TRAIN - TRentino Autism INitiative
Stefano Gustincich, S.I.S.S.A - IIT Genova (Italy)
Stefano Espinoza, Università del Piemonte Orientale (University of Eastern Piedmont) (Italy)
Michael E. Talkowski, Harvard Medical School - Boston (U.S.A.)
Marcy E. MacDonald, Harvard Medical School - Boston (U.S.A.)
IhnSik Seong, Harvard Medical School - Boston (U.S.A.)
Thierry Vöet, Sanger Institute-EBI Single-Cell Genomics Center, Cambridge (UK) 
Emilio Cusanelli, Laboratory of Cell Biology and Molecular Genetics, CIBIO - Trento (Italy)
Toma Tebaldi, Laboratory of RNA and Disease Data Science, CIBIO - Trento (Italy)
Albert Basson, King's College - London (UK)
Christelle Golzio, Department of Translational Medicine and Neurogenetics, Institut de Génétic et de Bioligie Moléculare et Cellulare - IGBMC (France)
Giovanni Provenzano, Laboratory of Molecular and Behavioural Neuroscience, CIBIO – Trento (Italy)
Marco Caprini, Department of Pharmacy and Biotechnology, University of Bologna (Italy)
Ulrika Marklund, Research Division of Molecular Neurobiology - Ulrika Marklund group, Karolinska Instititet (Sweden)
Alessandro Gozzi, IIT Rovereto

Pubblicazioni

Emanuela Kerschbamer, Michele Arnoldi, Takshashila Tripathi, Miguel Pellegrini, Samuele Maturi,Serkan Erdin, Elisa Salviato, Francesca Di Leva, Endre Sebestyén, Erik Dassi, Giulia Zarantonello, Matteo Benelli, Eric Campos, M. Albert Basson, James F. Gusella, Stefano Gustincich, Silvano Piazza, Francesca Demichelis, Michael E. Talkowski, Francesco Ferrari, and Marta Biagioli (2022). CHD8 Suppression Impacts on Histone H3 Lysine 36 Trimethylation and Alters RNA Alternative Splicing. Nucleic Acid Research.

Miguel Pellegrini, Guendalina Bergonzoni, Federica Perroni, Ferdinando Squitieri, Biagioli Marta (2022). Current Diagnostic Methods and Non-Coding RNAs as Possible Biomarkers in Huntington’s Disease. Genes, 13(11), 2017. 

Michele Arnoldi, Giulia Zarantonello, Stefano Espinoza, Stefano Gustincich, Francesca Di Leva, Marta Biagioli (2022). Design and Delivery of SINEUP: A New Modular Tool to Increase Protein Translation. Methods Mol Biol, 2434:63-87.

Giulia Zarantonello, Michele Arnoldi, Michele Filosi, Toma Tebaldi, Giovanni Spirito, Anna Barbieri, Stefano Gustincich, Remo Sanges, Enrico Domenici, Francesca Di Leva, Marta Biagioli (2021). Natural SINEUP RNAs in Autism Spectrum Disorders: RAB11B-AS1 Dysregulation in a Neuronal CHD8 Suppression Model Leads to RAB11B Protein Increase. Frontiers in Genetetics, 12:745229.

Guendalina Bergonzoni, Jessica Döring, Marta Biagioli(*). D1R-and D2R-Medium-Sized Spiny Neurons Diversity: Insights IntoStriatal Vulnerability to Huntington’s Disease Mutation. Frontiers in Cellular Neuroscience 2021. 15, 16. (*) Corresponding author

Vidya Murthy, Toma Tebaldi, Toshimi Yoshida, Serkan Erdin, Teresa Calzonetti, Ravi Vijayvargia, Takshashila Tripathi, Emanuela Kerschbamer, Ihn Sik Seong, Alessandro Quattrone, Michael E. Talkowski, James F. Gusella, Katia Georgopoulos, Marcy E. MacDonald, Marta Biagioli(*). ‘Hypomorphic mutation of the mouse Huntington’s disease gene orthologue’.PLoS Genet 2019 Mar 21;15(3):e1007765. (*) Corresponding author.

Primoz Knap, Toma Tebaldi, Francesca Di Leva, Marta Biagioli, Mauro Dalla Serra, Gabriella Viero. The Unexpected Tuners: Are LncRNAs Regulating Host Translation during Infections? 2017. Toxins9 (11), 357.

The HD iPSC Consortium -Ryan G Lim, Lisa L Salazar, Daniel K Wilton [….Marta Biagioli.....] and Clive N Svendsen. Developmental alterations in Huntington's disease neural cells and pharmacological rescue in cells and mice. Nature Neuroscience, 2017. 20(5):648-660.

Emanuela Kerschbamer and Marta Biagioli. Huntington's Disease as Neurodevelopmental Disorder: Altered Chromatin Regulation, Coding, and Non-Coding RNA Transcription. Frontiers in Neuroscience.2016 Jan 13;9:509.  

Per una lista completa: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/?term=marta%20biagioli&page=3