Programma di ricerca

Meccanica nucleare e regolazione del genoma

Shivashankar
Responsabile: G.V. Shivashankar

Nazionalità: indiana
Formazione: B.Sc. (Physics) Bangalore University, INDIA – 1988
MS (Engineering) Rutgers University, USA – 1994
Ph.D. (Biophysics) The Rockefeller University, USA – 1999

G.V. Shivashankar è vicedirettore del Mechanobiology Institute (MBI) presso la National University of Singapore, uno dei migliori atenei in Asia e centro di ricerca tra i 30 più quotati al mondo, fondato dalla National Research Foundation. Dal 2014, Shivashankar ha anche una ‘carta di identità italiana’ grazie alla direzione del Joint Research Laboratory, nato dalla collaborazione tra IFOM e l’MBI.
Le attività di ricerca del laboratorio di Shivashankar sono incentrate a comprendere il ruolo svolto dalla geometria cellulare sui meccanismi nucleari e di regolazione del genoma nelle cellule viventi. Utilizzando un approccio interdisciplinare, che si avvale dello studio per immagini in alta risoluzione delle cellule viventi e di esperimenti di meccanica, il laboratorio di Shivashankar indaga sui principi biofisici alla base dei segnali che stimolano l'accoppiamento delle cellule geometriche con il nucleo e la conseguente influenza sulla regolazione genica. Negli ultimi anni, il laboratorio ha portato anche dimostrazioni concrete utili a capire la relazione modulare tra i meccanismi nucleari e l'organizzazione dei cromosomi nel processo di regolazione dell'informazione genetica.
Shivashankar ha ricevuto numerosi riconoscimenti alla carriera: tra i più prestigiosi il Birla Science Prize nel 2006, il Swarnajayanthi Fellowship nel 2007 e nel 2010 l’elezione a membro dell'Accademia indiana delle Scienze. È autore di oltre cinquanta lavori su riviste internazionali e, nel 2010, è stato editore della serie di libri dal titolo “Metodi di Biologia Cellulare”, occupandosi in particolare di quelli sui "Meccanismi nucleari e la regolazione del genome", editi da Elsevier Press. Infine è supervisore scientifico per alcune fra le principali riviste internazionali o per l’assegnazione di borse e riconoscimenti scientifici.

Meccanica nucleare e regolazione del genoma

Il nome del laboratorio e l'orientamento di ricerca scelto da G .V. Shivashankar già indica un approccio innovativo e interdisciplinare allo studio del genoma. Si fonda infatti sul potenziamento delle informazioni di biologia molecolare dall'utilizzo di tecnologie e metodi sviluppati in discipline quali la matematica, la fisica, l'ingegneria o la biologia computazionale. L'obiettivo è quello di arrivare a comprendere, in particolar modo, i meccanismi molecolari che inducono alla formazione dei tumori e alle eventuali successive metastasi.
Punto di partenza è l'osservazione dei segnali di natura meccanica provenienti dalla matrice extracellulare e la loro interazione con la geometria cellulare che conduce ad una alterazione sia della funzionalità nucleare sia dell'espressione dei programmi genetici.
Queste alterazioni di norma regolano diversi processi biologici, tra cui la differenziazione delle cellule staminali, i programmi di sviluppo genetico e i sistemi di controllo omeostatico cellulare. Resta però almeno parzialmente oscura la modalità di interazione fra questi segnali meccanici che inducono lo sviluppo di diversi contesti di espressione genica e l'organizzazione spazio-temporaletridimensionale (3D) del nucleo cellulare.
Per comprendere i principi biofisici alla base di questi processi, il laboratorio ha scelto di operare con un approccio interdisciplinare, combinando cioè la possibilità di ottenere immagini ad alta risoluzione di cellule in vivo coltivate in differenti micro-substrati, con i meccanismi molecolari e la genomica. Grazie a questo approccio è stato possibile definire alcune correlazioni quantitative e modulari tra la geometria cellulare e i meccanismi nucleari riguardanti la regolazione e l'organizzazione cromosomica in 3D e le informazioni genetiche. Contemporaneamente il laboratorio è anche impegnato in studi rivolti all'identificazione dei meccanismi di base di riprogrammazione nucleare, attraverso la modulazione dei legami di geometria cellulare.Alcuni progetti sono portati avanti con la collaborazione di gruppi teorici e sperimentali.

Linea di ricerca 1: Transizioni strutturali e plasticità nucleare nel processo di differenziazione delle cellule staminali

Le cellule staminali sono caratterizzate dall'elevata plasticità del nucleo, da alterazioni bivalenti degli istoni e da un trascrittoma attivo. I programmi di differenziazione cellulare, indotti da segnali fisico-chimici, danno origine ad un aumento dell'indice nucleo-citoplasmatico, ad una precompressione dell'architettura nucleare e ad un'organizzazione cromosomica non casuale.
Occorre ancora identificare i meccanismialla base delle transizioni strutturali relativi alla plasticità nucleare responsabili di quei programmi di trascrizione cellula-specifici.
Per raggiungere questo obiettivo, il laboratorio sta mappandoin cellule staminali embrionali di modello murino coltivate in diversi micro-substrati campione, le transizioni tra i differenti stati di compattazione della cromatina e il momento in cui si emerge la successiva formazione di una organizzazione nucleare precompressa.
Gli esperimenti condotti hanno permesso di rilevare un'insolita eterogeneità nell'assemblaggio e nel susseguente rimodellamento della cromatina, la quale è risultata evidente sia durante l'embriogenesi della Drosophila che nella differenziazione delle cellule-T.
I risultati preliminari suggeriscono chele transizioni strutturali nella plasticità nucleare possono essere considerate modulatori generici, ma critici, dell'espressione genica nella fase di differenziazione e sviluppo.

Linea di ricerca 2: Accoppiamento tra organizzazione nucleare tridimensionale (in 3D) e controllo trascrizionale

I segnali dalla matrice extracellulare vengono integrati a livello dei promotori, dove il reclutamento attivo del macchinario di trascrizione genera poi una espressione genica alterata. Tuttavia le dinamiche spazio-temporali alla base di questo controllo della trascrizione non sono ancora chiare.
Il laboratorio ha dimostrato come l'organizzazione in tre dimensioni e la localizzazione dei cromosomi è sensibile alla trascrizione globale. Inoltre, all'interno di questi territori inter-cromosomici, è stato possibile evidenziare la dinamicità dei meccanismi di trascrizione eucariotica. Ancora, l'attivazione meccanica indotta nelle cellule causa un rimodellamento della cromatina che precede la meccano-trasduzione nucleare dei cofattori di trascrizione.
I risultati fin qui ottenuti suggeriscono che la localizzazione dei cromosomi nella struttura architettonica in 3D del nucleo può essere considerata uno fra i principali regolatori della trascrizione integrando i fattori di trascrizione con i meccanismi di trascrizione.

Linea di ricerca 3: Impatto della geometria cellulare sulla meccanica nucleare e la regolazione del genoma

I programmi di differenziazione cellulare in fisiologia danno vita a cellule di natura e morfologia nucleare differenti tali da determinarne anche la diversa funzionalità. Inoltre, vi è evidenza che, in relazione alla diversa adesione cellulare, i legami nucleo-citoplasmatici rendono stabile l'organizzazione nucleare precompressa.
Questa organizzazione nucleare precompressa, determinata dalle costrizioni legate alla geometria cellulare, potrebbe servire da substrato integrando segnali fisico-chimici con il nucleo per regolare l'espressione genica.Tuttavia, il ruolo specifico della geometria cellulare nell'accoppiamento fisico-chimico con il nucleo resta ancora da chiarire. Per arrivare all'obiettivo, il laboratorio ha utilizzato differenti micro-substrati campione per modificare la geometria cellulare (forma, proporzioni e dimensioni), studiare l'equilibrio omeostatico nucleare e le vie di meccano-trasduzione che regolano l'espressione genica.
È risultato evidente che l'organizzazione perinucleare dell'actina è sensibile alle costrizioni della geometria cellulare alla base delle dinamiche nucleari rotazionali dipendenti dal flusso di actina.
Inoltre, l'analisidel trascrittoma ha rivelato alterazioni dipendenti dalla geometria cellulare nell'espressione genica correlata all'actina. È importante sottolineare chel'aumento dell'area di interazione cellula-substrato ha potenziato l'espressione dei geni correlati alla matrice extracelulare mentre la sua riduzione si è tradotta in una sovraespressione dei geni coinvolti nell'omeostasi cellulare.
L'insieme di informazioni emerse dal lavoro di ricerca del nostro laboratorio, suggerisce una modularità nei cambiamenti di espressione genica dovuta a costrizioni di geometria cellulare.

ATR: la proteina "diapason"

È stata individuata, grazie ad un lavoro di ricerca interdisciplinare che ha visto la partecipazione di IFOM (Istituto FIRC di Oncologia Molecolare), dell'Università Statale di Milano e la collaborazione della National University of Singapore e del Danish Cancer Society Research Center di Copenaghen, una nuova potenzialità della proteine ATR. L'azione protettiva nei confronti del DNA e il ruolo di oncosoppressore erano già note, ma ora all'ATR si attribuisce un merito in più: la capacità di fornire plasticità alla cellula. E' stato scoperto che la proteina ATR svolge la funzione di sensore, e al pari di un diapason riesce a percepire le vibrazioni di una cellula quando questa è sottoposta a uno stress meccanico che può provenire dal nucleo o dall'esterno cellula sulla membrana, o anche a seguito di un processo di migrazione, come nel caso delle metastasi.
Questa capacità ‘sensitiva' consente all'ATR, una volta avvertita la vibrazione, di attivarsi e di andare a posizionarsi sulle membrane nucleari, conferendo in questo modo alla cellula la necessaria plasticità e protezione dai fattori di stress. La scoperta, che è stata resa nota con un importante lavoro pubblicato su Cell, potrà avere significative implicazioni nella compressione dei meccanismi che portano non solo all'insorgenza delle metastasi ma che sono anche base della funzione delle cellule staminali.
È noto infatti che le cellule staminali sono dotate di una elevata plasticità che tuttavia viene soppiantata da una rigidità crescente mano mano che queste si differenziano. Dall'altro lato si sa anche che le cellule staminali hanno una soglia di attivazione di ATR molto elevata, la quale potrebbe essere all'origine della formazione di recidive tumorali. Al momento si tratta di una ipotesi che dovrà essere accertata da studi che indaghino il ruolo svolto dalla proteina ATR nella differenzazione cellulare.

 


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