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di Daniela Valentini

NOI FACCIAMORICRESCERE

LE ALI AI POLLI

Ricercatori americani sono riusciti a rigenerare gli arti di alcuni embrioni animali. Perfettamente funzionanti

e completi di ossa, muscoli, pelle e vasi sanguigni. In natura accade normalmente a lucertole, salamandre e pesci zebra.In laboratorio, invece, è accaduto con un pollo, grazie alla scoperta diun gene incredibilmente «intelligente». Quali prospettive si aprono?

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Juan Carlos Izpisúa Belmonte, con il maglione scuro, e il suo gruppo nel laboratorio del Salk Institute di La Jolla, in California. Nell’altra pagina, esempi di esperimenti condotti su ali di pollo, pinne di pesce zebra e zampe di rana.

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e perde la coda, la lucertola ne genera unanuova di zecca e perfettamente funzionante.Lo stesso accade alle pinne del pesce zebrae alle zampe della salamandra. Altri vertebrati, come gli uccelli, i mammife-ri e la specie umana, hanno perduto questastraordinaria capacità nel corso della loro

storia evolutiva. Ma non è detta l’ultima parola: il program-ma genetico che controlla la ricostruzione degli arti èancora scritto nel loro, e nel nostro, Dna e un gruppo diricercatori del Salk Institute di La Jolla, in California, lo hadecodificato e riattivato. Come? Il genetista Juan Carlos Izpisúa Belmonte e i suoicolleghi hanno portato a termine uno straordinario esperi-mento: hanno rimosso l’ala di un embrione di pollo e, sti-molando le cellule residue, ne hanno fatta crescere unanuova, completa di ossa, muscoli, pelle e vasi sanguigni.Una ricerca cominciata studiando i geni del moscerino del-la frutta che si comportano come una sorta di interruttore.Possiamo considerare questo risultato come una portaaperta alla speranza di quanti per un incidente, una malat-tia o una ferita di guerra hanno perduto un arto? «Siamoancora lontani da applicazioni mediche di questa tecnica»,dice Belmonte, «ma continuando su questa strada un gior-

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no forse potremo manipolare le cellule umane adulte eindurre la rigenerazione di strutture complesse come orga-ni o arti nei pazienti che li hanno danneggiati o perduti».Il punto di partenza delle ricerche di Belmonte è statol’embrione. Le cellule staminali embrionali sono totipo-tenti, cioè possono generare tutti i tessuti dell’organismo

S

La sequenzadell’esperimento

sull’embrione di pollo.L’ala a dieci giorni dal

concepimento (1). Dopo20 giorni viene recisa parte

dell’ala (2–3). I geni Wntnelle cellule rimaste sono

stimolati con beta–catenina per provocare la ricrescita dell’ala (4).

adulto. Questo, però, non basta a spiegare in che modo ilprogetto codificato nel loro Dna venga messo in attodurante la formazione delle varie parti del corpo. Negliultimi anni, genetisti e biologi di tutto il mondo hanno fat-to enormi passi avanti nella comprensione dei meccani-smi molecolari che controllano il corretto posizionamen-to degli organi e la costruzione delle strutture anatomichedurante lo sviluppo embrionale.

! IL GENE DECIDE: QUI CI SARÀ UNA ZAMPA«È l’interazione tra le cellule a determinare l’asse principa-le del corpo e dirigere la disposizione dei tessuti negliorgani», spiega lo scienziato. «Interazione che si basa sualcuni elementi chiave: fattori della crescita che attivanospecifici geni, i quali a loro volta attivano altri geni».I ricercatori del Salk Institute si sono serviti dell’embrionedi pollo come punto di partenza per studiare questo com-

Le proteine prodotte dai geni della famiglia Wntcostituiscono una rete di messaggeri chimici usati

dalle cellule per comunicare tra loro durante lo sviluppo embrionale. Quando vengono captate da specifici recettori sulla membrana delle celluledestinatarie, inducono al loro interno un aumentodella produzione di beta–catenina, molecola chestimola la proliferazione cellulare. L’attivazioneimpropria dei segnali Wnt provoca un accumulo

abnorme di beta–catenina e la proliferazionecellulare diventa incontrollata. È questo uno dei

meccanismi responsabili dell’insorgenza del tumore.Una concentrazione anomala di beta–catenina èstata riscontrata nell’85% dei casi di cancro alcolon, nel melanoma e nel carcinoma ovarico.

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Una famiglia di geni trovati nel moscerino della frutta si comporta come uninterruttore che dà il via alla rigenerazione degli arti

LA BETA–CATENINA

E LA PROLIFERAZIONE TUMORALE

Un ricercatore nel laboratorio del Salk Institute al lavorosu un embrione di pollo.

altro tassello al puzzle: hanno individuato gli interruttoriche danno il via alla formazione di tutti gli arti. «Sono igeni della famiglia Wnt», spiega lo scienziato, «scopertioriginariamente nel moscerino della frutta e conosciuticome promotori della proliferazione cellulare. Altri grup-pi di ricerca hanno dimostrato il loro coinvolgimento nellaformazione di numerosi organi e tessuti negli embrionidei vertebrati». Belmonte e i suoi colleghi hanno attivatotre geni Wnt nelle cellule localizzate in vari punti lungo i

L’esperimento sulle pinne caudale (in alto) e pettorale del pesce zebra, che le rigenera dopo l’amputazione (1–5).Bloccando la beta–catenina (2–6) la rigenerazione èincompleta e si hanno pinne mutanti (3–7). Riattivando la beta–catenina la rigenerazione è completa (4–8).

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plicato gioco di interruttori molecolari, attivando e disatti-vando geni nelle cellule destinate a formare arti e organi everificando poi i risultati. In questo modo, nel 1998 hannoidentificato il singolo gene che dà il via allo sviluppo dellezampe. «Si chiama Tbx4 e lui da solo è sufficiente per attribuire aun arto l’identità di zampa», spiega Belmonte. «Per verifi-carlo abbiamo utilizzato embrioni di pollo formati da ungiorno, quindi prima della comparsa degli abbozzi degliarti, e abbiamo attivato il gene Tbx4 nelle cellule localizza-te nell’area dove sarebbero dovute spuntare le ali». Nei giorni successivi, i tessuti trattati in questo modo han-no dato origine alle zampe.«Dopo la scoperta del ruolo del Tbx4, volevamo capirecome e perché questo gene si attiva», prosegue Belmonte.Nel 2001, i ricercatori del Salk Institute hanno aggiunto un

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Yasuhiko Kawakami, ilresponsabile del progettograzie al quale sono staterigenerate le ali di polloe una ricercatrice del team, ConcepciónRodriguez Esteban.

fianchi di embrioni di pollo e hanno indotto così la com-parsa di arti aggiuntivi.Il passo successivo era inevitabile: l’avvio di esperimentisulla rigenerazione di arti perduti. «I nostri studi hannopreso questa direzione nel 2002, in collaborazione con ilCentro di Medicina rigenerativa di Barcellona, in Spa-gna», racconta Belmonte.Certi vertebrati, come i pesci zebra e le salamandre, man-tengono per tutta la vita la capacità di rimpiazzare strut-ture anatomiche perdute o danneggiate. Immediatamentedopo l’amputazione, alcune cellule epiteliali migrano sul-la ferita e la chiudono. Quindi le stesse cellule subisconoun processo di «dedifferenziazione», cioè regredisconoallo stadio di staminali indifferenziate e proliferano for-mando una piccola massa chiamata blastema. Infine, dalblastema prende forma un nuovo arto perfettamente fun-zionante, che si sviluppa e rimpiazza quello perduto.

Per stimolare o bloccare la produzione di proteineWnt nelle cellule delle loro cavie, Belmonte e i suoi

colleghi si sono serviti di virus geneticamentemodificati. Hanno impiegato degli adenovirus,

comunemente usati negli esperimenti di terapiagenica. Hanno manipolato il loro Dna, privandoli

della capacità di replicarsi e danneggiare lacellula infettata, e hanno inserito al loro interno, a

seconda della necessità, geni in grado dipromuovere o bloccare l'attivazione dei Wnt.

Gli adenovirus, che hanno la capacità naturale diagganciarsi alla membrana cellulare e penetrare

al suo interno, hanno indotto le cellule stesse a sintetizzare le proteine codificate nei geni.

L’ESPERIMENTO

CON I VIRUS «TAXI»

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Alcune cellule regrediscono a staminali indifferenziatedando il via alla rigenerazione

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Anche l’Italia registra successiimportanti nellacomprensione del ruolo dei

geni Wnt. Il gruppo guidato daGiulio Cossu, direttore dell’Istitutoper la Ricerca sulle Cellule staminalidella Fondazione San Raffaele diMilano, studia da anni l’attività deisegnali Wnt nella genesi del tessutomuscolare sia durante lo sviluppoembrionale sia dopo la nascita,quando il muscolo vienedanneggiato da un trauma. E si deve proprio al gruppo italianola scoperta che una di questeproteine, la Wnt-1, induce laformazione dei muscoli dorsali.Attualmente, Cossu e i suoi colleghi

stanno analizzando i geni espressidalle cellule progenitrici del tessutomuscolare per valutare la lorocapacità di correggere anomalie diorigine genetica, come le distrofiemuscolari, e di generare nuovi vasisanguigni e tessuto miocardico.

Intanto i ricercatori italiani hannodimostrato che particolari cellulestaminali, dette mesoangioblasti,possono curare la distrofiamuscolare di Duchenne, unamalattia genetica degenerativa emortale che colpisce un maschioogni 3mila nati. Il gruppo di Cossu ha iniettatoqueste particolari cellule staminaliin cani che sviluppanonaturalmente la malattia e haottenuto un miglioramento del tonoe della forza muscolare che si ètradotto in una migliore capacità dimovimento. Ma passerà ancora unpo’ di tempo prima di iniziare lasperimentazione sull’uomo.

QUEI SEGNALI CHE PERMETTONO DI RIPARARE I MUSCOLI

le rane adulte, siamo riusciti a indurre la ricrescita degliarti perduti». L’ultimo esperimento, il più spettacolare, èstato condotto su animali che in natura non hanno lacapacità di rigenerare, né allo stadio adulto né in faseembrionale: i polli. «Abbiamo reciso parte di un’ala negli embrioni di pollo eabbiamo stimolato l’attivazione dei geni Wnt nelle celluleresidue», racconta lo scienziato. «Il risultato ci ha lasciatostupefatti: gli embrioni hanno rigenerato ali perfette, com-plete di tutti i tessuti al posto giusto! Ritengo che con lostesso sistema sia possibile indurre la ricrescita di un artoperduto anche nei polli adulti».

! LA SFIDA SUCCESSIVA: GLI ARTI DEL TOPOIl successo dell’esperimento condotto in California apre lastrada a esaltanti prospettive nel campo della medicinarigenerativa. «Ma le applicazioni sull’uomo sono ancoramolto lontane», avverte Belmonte. «La stimolazione deigeni Wnt è un intervento estremamente delicato, che

deve essere effettuato nella misura giusta e per un inter-vallo di tempo opportuno. In caso contrario, innesca laproliferazione di cellule tumorali». Infatti, diversi studi,condotti anche in Italia, all’Istituto nazionale di ricerca suitumori di Genova, indicano che uno dei meccanismiresponsabili dell’insorgenza dei tumori è l’attivazioneabnorme dei geni Wnt. Di recente, poi, alcuni ricercatoridella Stanford University hanno dimostrato che bloccan-do i Wnt nelle cellule tumorali si contrasta la loro prolife-razione. «La prossima tappa delle nostre ricerche saràl’applicazione del processo di rigenerazione al topo, l’ani-male usato tradizionalmente come modello per studiare lagenetica e la fisiologia dei mammiferi», dice Belmonte.«Se riusciremo a controllare l’attivazione dei geni Wnt e adeterminare le corrette modalità dell’intervento nei topi,ne ricaveremo preziosi indizi per una possibile applica-zione sui tessuti umani. Ma ora non sono in grado di pre-vedere quanto tempo sarà necessario prima di utilizzarecon sicurezza questa tecnica sull’uomo».

La rana artigliata africana (Xenopus laevis) può rigenerare gli arti perduti solo durante lo stadio di girino. Poi, dopo lametamorfosi, non è più in grado di farlo. Nelle immagini si vede come, bloccando i geni Wnt nei girini, la rigenerazionevenga fermata. Ma se nelle rane adulte i geni vengono stimolati nell’area amputata, l’arto perduto ricresce.

In alto, Giulio Cossu cheha scoperto Wnt–1, unadelle proteine prodottedai geni Wnt e in gradodi indurre la formazionedei muscoli dorsali. A sinistra, Azur e, afianco, Valgus i due canicon la distrofia diDuchenne che sonomigliorati grazie a curecon le cellule staminali.

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«La conoscenza dei meccanismi molecolari responsabilidi questo fenomeno potrebbe fornire le basi per ottenerela rigenerazione di organi e arti anche nell’uomo», spiega-no i ricercatori di Barcellona. Belmonte e i colleghi hannoprogettato una serie di esperimenti per indagare sul ruolodei geni Wnt nella ricostruzione degli arti nelle specie chepossiedono questa capacità e sulle loro potenzialità nellespecie che invece non la possiedono.

! STORIE DI PESCI, SALAMANDRE, RANE«Dapprima abbiamo preso in esame il pesce zebra e l’Am-bystoma mexicanum, una specie di salamandra acquaticaoriginaria del Messico. Entrambi rigenerano i tessutidurante l’intero arco della loro vita», racconta il genetista.«Dopo avere amputato parte delle pinne del pesce zebra eparte delle zampette della salamandra, abbiamo manipola-to il Dna dei tessuti residui disattivando i geni Wnt. L’intervento ha bloccato il processo di rigenerazione. Inseguito, abbiamo spostato la nostra attenzione sullo

Xenopus laevis, la rana artigliata africana, che ha la capa-cità di rigenerare gli arti perduti solamente quando è allostadio di girino. Dopo la metamorfosi, perde questa abilità. Interventi diinibizione dei geni Wnt condotti sui girini», prosegueBelmonte, «hanno prodotto gli stessi risultati osservati supesci zebra e salamandre. Al contrario, attivando queigeni nei tessuti circostanti il punto dell’amputazione nel- n

Il prossimo passo sarà il tentativo di rigenerare gli arti di animali adultie cercare poi di arrivare a sperimentare sull’uomo