Il ricercatore entra in classe

Silvia Kirsten Nicolis

Università di Milano-Bicocca

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

Il sistema nervoso (che include il cervello) è costituito di neuroni e glia

Esistono moltissimi tipi di neuroni diversi

Corteccia cerebrale

Cervelletto

Ippocampo

Midollo spinale

Esistono malattie che colpiscono specifici tipi di neuroni

Neuroni e glia (di ogni tipo) sono prodotti da cellule staminali neurali

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

In topo funziona ….. Verso il tentativo nell’uomo

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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Cosa sapete delle malattie rare?

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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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Giallo come il sole: la storia di Lorenzo

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.

Grazie!

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Mohammad (Libano)

Giovanni (Usa)

Kamal (Egitto)

Samuel (Italia)

Jacob (Usa)

Canalp (Turchia)