Programma di ricerca

Organizzazione spazio-temporale del nucleo

Paolo Maiuri
Responsabile: Paolo Maiuri

Nato a Salerno nel 1979, Paolo Maiuri dirige in IFOM il programma di ricerca Organizzazione spazio-temporale del nucleo.
Iscrittosi a Fisica all'Università Federico II di Napoli con l'intenzione di studiare le stelle, con il tempo ha progressivamente spostato i suoi interessi verso la materia vivente e ha quindi scelto l'indirizzo in Biofisica.

I suoi primi studi in ambito biologico, condotti durante il dottorato (conseguito presso la Scuola Normale di Pisa) nel laboratorio di virologia molecolare guidato da Alessandro Marcello all'International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology (ICGEB) di Trieste, si sono incentrati sulla misurazione della velocità di trascrizione dell'RNA del HIV nel nucleo di cellule infette. L'HIV è un retrovirus, ovvero un virus il cui materiale genetico è costituito da RNA che, una volta all'interno di una cellula, viene convertito in DNA e integrato nel genoma dell'ospite.

Maiuri e i suoi colleghi sono stati tra i primi a sviluppare un metodo per visualizzare in cellule vive l'RNA virale ancora in corso di trascrizione (l'"RNA nascente")che appare sotto forma di "puntini" posizionati soprattutto alla periferia del nucleo. Combinando avanzate tecnica di microscopia e modelli matematici è stato possibile dimostrare che i geni virali venivano trascritti ad un ritmo 20 volte superiore all'atteso. Questa osservazione si è rivelata importante non solo nell'ambito di HIV, provando che l'RNA di un singolo virus completo potrebbe essere prodotto in soli 12 secondi, ma anche nell'ambito della trascrizione in generale. La notevole plasticità nella velocità di trascrizione osservata suggerisce infatti che la velocità stessa possa essere un elemento sottovalutato della regolazione dell'espressione genica.

A partire dal 2010 Maiuri ha cambiato ambito di ricerca e si è spostato a Parigi presso l'Istituto Curie, nel laboratorio di Matthieu Piel. Qui si è impegnato ad investigare i meccanismi di base che permettono alle cellule di muoversi.

Nel campo della migrazione cellulare ogni laboratorio utilizza il suo sistema e il suo tipo cellulare e pertanto non è facile confrontare fra loro studi diversi per estrapolarne regole generali. Per poter paragonare il maggior numero di linee cellulari diverse in un sistema omogeneo e capire le differenze tra un tipo e l'altro si è pensato di organizzare una gara fra cellule. Ne è nato lo studio con il campione più vasto ad oggi disponibile in questo ambito, grazie ad una collaborazione con 6 Nikon Centers in tutto il mondo (Boston, Londra, Heidelberg, Parigi, Singapore, California). Sono state messe a disposizione 54 linee cellulari da diversi laboratori: la vincitrice della gara di velocità è stata una cellula embrionale primaria umana, a Singapore.

Tuttavia il risultato più importante che questa gara ha permesso di ottenere è stato l'osservazione che una cellula che si muove più velocemente tenderà anche a muoversi nella stessa la direzione più a lungo (proprietà detta "persistenza"). Questo fenomeno non deriva da un semplice meccanismo di inerzia (che alla scala cellulare è trascurabile), ma per processi più complicati non deducibili da questa analisi.

Per questo motivo, i ricercatori hanno deciso di approfondire le loro osservazioni su due sole linee cellulari, prototipiche delle due modalità di migrazione cellulare: ameboide, basata sulla contrazione del retro e la conseguente generazione di una protrusione frontale (un po' come il movimento dei calamari), o mesenchimale, nella quale la cellula si allunga ed usa le proprie estensioni, ottenute tramite polimerizzazione di actina, come piccole "braccia" con cui attaccarsi ad un substrato e spingerlo indietro (come una sorta di caterpillar).

Sui due tipi di cellule scelti Maiuri e i suoi colleghi hanno confermato la correlazione tra velocità e persistenza facendo esperimenti in una, due, tre dimensioni e infine, anche in vivo osservando le cellule nella coda del pesce Medaka (Oryzias latipes).

Dal 2015 Maiuri ha scelto di tornare in Italia attirato dall'opportunità di avviare un suo gruppo di ricerca presso l'IFOM, grazie alle possibilità scientifiche ed economiche competitive messe a disposizione dall'Istituto.

Programma di ricerca: Organizzazione spazio-temporale del nucleo

Introduzione

L'aspetto che più contraddistingue l'attività di Paolo Maiuri è l'approccio interdisciplinare e fortemente quantitativo, basato sull'applicazione di modelli matematici e biofisici allo studio della biologia per cercare di rendere misurabile l'oggetto della ricerca.

La valorizzazione dell'impostazione interdisciplinare ha negli ultimi anni contribuito a favorire il passaggio, nella ricerca biologica, da metodi classici qualitativi e descrittivi ad approcci più quantitativi, che forniscano dati numerici e permettano la costruzione di modelli e di statistiche. 


Gli obiettivi del programma

Unendo le competenze e i campi di ricerca esplorati durante le sue precedenti esperienze, Maiuri si è chiesto se imponendo una forma predeterminata ad una cellula, i cromosomi all'interno acquisissero o meno una specifica disposizione sia l'uno rispetto all'altro che rispetto al nucleo cellulare. Dal momento che le linee cellulari coltivate su piastra non sono polarizzate, non hanno cioè un orientamento e una forma precisa, questo lavoro prevede innanzitutto di "standardizzare" la geometria di diverse cellule e dei loro componenti interni, costruendo una sorta di "cellula media" (reference cell) dove misurare la "posizione standard" dei cromosomi. Questa operazione permetterà già di intuire l'esistenza o meno di una correlazione diretta tra forma della cellula e disposizione delle regioni genomiche, ed eventualmente quale range di variabilità è associata a questa correlazione.

Il numero di applicazioni disponibili una volta ottenuto un modello di cellula polarizzata è potenzialmente enorme. Un primo aspetto da indagare, nel confrontare cellule polarizzate e non polarizzate, è quali siano e dove si dispongano i geni sovra- e sotto-espressi. In secondo luogo si può imporre alla cellula una determinata forma e andare ad osservare la posizione dei geni che vengono deregolati dalla configurazione imposta. Esistono inoltre tecniche per permettere di passare da una prima ad una seconda forma predefinita, che potrebbero essere utili per comprendere se i movimenti nel nucleo conseguenti al cambiamento di forma siano di tipo statistico (il che suggerirebbe che non esiste un percorso preciso per passare dalla disposizione iniziale a quella finale) o deterministico (per cui il passaggio dalla disposizione iniziale a quella finale è preciso e regolato).

Un ulteriore ambito da esplorare è quello della divisione cellulare: organizzazione e forma non sono infatti sempre conservate dalla cellula madre alle cellule figlie. Se si imponesse una stessa forma ad una cellula madre e alla cellula figlia, questo potrebbe portare ad una ridotta variabilità di organizzazione nucleare fra le due cellule? O viceversa, nel caso in cui venissero imposte due forme estremamente diverse, ne risulterebbe una grande differenza nell'organizzazione nucleare delle due cellule? Inoltre già alcuni gruppi di ricerca stanno iniziando ad osservare che, dato che la caratteristica principale della divisione fra una cellula staminale e una cellula figlia differenziata è proprio il fatto che la divisione sia "asimmetrica" (ovvero che si originino due cellule di tipo diverso), se si impone una forma diversa ad una cellula figlia è possibile guidarla verso una determinata linea di differenziamento.

Infine, sarebbe interessante studiare/identificare quali proteine siano fondamentali per il mantenimento della "mappa" di posizioni del materiale genetico nel nucleo, esaminando in quali casi silenziando una o più proteine la mappa viene persa. Una volta ottenute queste informazioni sarà poi possibile verificare se il silenziamento di queste proteine interferisca anche con il meccanismo di differenziamento imposto alla cellula. 


Impatto su diagnosi, prevenzione o trattamento dei tumori

Ancora oggi la diagnosi istopatologica dei tumori si basa sull'analisi del cambiamento di forma delle cellule, una delle caratteristiche ricorrenti (cosiddette "hallmark") del cancro. È inoltre noto che, sia in sistemi di differenziamento che di trasformazione maligna delle cellule, la distanza fra geni cambia in maniera specifica: le posizioni dei geni nel nucleo non sono quindi solo individuo - e tessuto - specifiche, ma cambiano anche nel tempo durante il differenziamento o la tumorigenesi. Tuttavia nessuno ancora ha dimostrato l'esistenza di un nesso causale tra la posizione e l'effetto sulla cellula: non è cioè noto se il cambiamento di disposizione dei cromosomi nel nucleo sia una causa o una conseguenza del processo di differenziamento o di formazione di un tumore. Gli studi di Maiuri potranno contribuire ad ampliare le nostre conoscenze in questo contesto. 


Gli approcci

L'ambito di ricerca del gruppo di Paolo Maiuri richiede un approccio multidisciplinare che coniughi competenze da diversi settori scientifici, in particolare tecniche di meccanobiologia (per quanto riguarda l'imposizione di forma alle cellule) e di imaging (soprattutto l'ibridazione fluorescente in situ o FISH). La peculiarità tecnica del laboratorio riguarda quindi non tanto l'elaborazione di nuove tecnologie o protocolli, quanto una combinazione innovativa di tecnologie esistenti e la loro applicazione su nuovi sistemi. Per questi motivi, il gruppo si avvale in primo luogo delle facility di sequenziamento, di microscopia e di istologia (per provare ad confermare le evidenze ottenute su linee cellulari in tessuti prelevati da biobanche). Il team inoltre interagirà soprattutto con il laboratorio di Scita, focalizzato sullo studio della migrazione cellulare, fornendo supporto sperimentale (quantitativo). Molte le possibili domande a cui questa collaborazione potrebbe rispondere: come cambia la disposizione dei geni durante la migrazione cellulare? Cosa succede se si inverte la direzione di marcia?

 


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