Vista dal vivo: cambiamenti indotti dallo stress in generazioni di cellule tumorali
Le cellule tumorali rispondono allo stress con una maggiore diversità. I farmaci che agiscono sulla replicazione del DNA o le radiazioni che causano danni diretti al DNA danno origine a una progenie sempre più diversificata nel corso di più generazioni cellulari. Questo aumenta la complessità genetica del tumore e facilita lo sviluppo della resistenza alla terapia. I ricercatori dell'UZH hanno ora studiato l'emergere della diversità cellulare in tempo reale.
Le cellule sono le unità più piccole della vita. Ma anche all'interno dello stesso tessuto o organo, non sono tutte identiche. Durante la proliferazione cellulare nascono continuamente nuove variazioni. Mentre le mutazioni genetiche alterano la sequenza del DNA, i cambiamenti epigenetici influenzano l'attività dei geni. La diversità cellulare che ne deriva è a doppio taglio: Da un lato, l'eterogeneità favorisce lo sviluppo e l'adattamento allo stress. Dall'altro, può portare a malattie come il cancro o ridurre l'efficacia delle terapie.
Tracciare lo sviluppo delle cellule tumorali in tempo reale
Il modo in cui queste differenze nel genoma e nel controllo epigenetico si manifestano nelle cellule, e come vengono trasmesse alle cellule figlie e nipoti, non è ancora stato studiato in dettaglio. Ora i ricercatori dell'Università di Zurigo (UZH) hanno messo a punto un metodo che consente di seguire in diretta al microscopio lo sviluppo delle cellule e l'eterogeneità cellulare nell'arco di diverse generazioni.
Utilizzando l'editing del genoma basato su CRISPR, hanno collegato marcatori fluorescenti a due proteine: una per tracciare il processo di replicazione del DNA e una per marcare i danni acquisiti al DNA. "Questo ci ha permesso di monitorare, nel corso di diverse generazioni cellulari, come le cellule tumorali rispondono a diversi fattori di stress e come questo aumenta l'eterogeneità all'interno della popolazione cellulare", spiega Merula Stout, dottoranda dell'UZH presso il Dipartimento di Meccanismi Molecolari delle Malattie e co-autrice dello studio.
Le cellule figlie variano in modo significativo dopo lo stress
Oltre alle misurazioni in tempo reale al microscopio, i ricercatori hanno esaminato vari endpoint, come la forza dei diversi segnali di stress nelle cellule figlie e nipoti. Hanno poi sovrapposto queste misurazioni alla traiettoria di sviluppo osservata delle stesse cellule. "Utilizzando queste analisi dell'albero genealogico delle cellule, siamo stati in grado di dimostrare che le cellule figlie non si comportano più in modo sincrono dopo la divisione cellulare se la cellula madre è stata esposta a stress", spiega Stout.
Secondo il ricercatore, sono state riscontrate differenze significative, ad esempio, nell'inizio e nella durata della replicazione del DNA e nella produzione di proteine che regolano il ciclo cellulare. Queste differenze sono continuate nella generazione cellulare successiva, aumentando così l'eterogeneità della popolazione cellulare. I danni al DNA e lo stress non hanno quindi solo conseguenze a breve termine, ma anche effetti a lungo termine sulla diversità delle cellule.
Le copie multiple del genoma favoriscono la resistenza alla terapia
Il tracciamento cellulare computerizzato ha anche fornito indicazioni dirette su come si forma la poliploidia nelle cellule. In questo processo, le cellule tumorali ricevono più copie del genoma. Ciò aumenta la complessità genetica, consentendo alle cellule di adattarsi più rapidamente e di sviluppare meccanismi di resistenza ai farmaci.
La combinazione di misurazioni in tempo reale e di endpoint ha dimostrato che i diversi percorsi verso la poliploidia hanno effetti diversi sulla stabilità del genoma, influenzando così la fitness delle cellule. "Ora abbiamo una migliore comprensione di come si sviluppano le cellule con più copie del loro genoma. Potenzialmente, le nostre scoperte possono essere utilizzate per modulare le modalità con cui si verifica la poliploidia e per personalizzare meglio le terapie", afferma Andreas Panagopoulos, postdoc dell'UZH e co-autore.
Solo la punta dell'iceberg
Questo studio è il primo a mostrare in dettaglio come diversi meccanismi influenzino la stabilità genetica attraverso più generazioni cellulari e aumentino l'eterogeneità tra le singole cellule. Il team di ricerca guidato dal professore dell'UZH Matthias Altmeyer intende sviluppare ulteriormente e automatizzare il metodo in collaborazione con le piattaforme tecnologiche dell'UZH. "Per le domande di ricerca che riguardano principalmente l'analisi di singole cellule e di eterogeneità complesse piuttosto che di effetti medi, sono necessarie grandi quantità di dati ottenuti in high throughput, e la loro analisi può beneficiare dell'aiuto dell'IA. È molto probabile che attualmente vediamo solo la proverbiale punta dell'iceberg", afferma il capogruppo Altmeyer.
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Pubblicazione originale
Andreas Panagopoulos, Merula Stout, Sinan Kilic, Peter Leary, Julia Vornberger, Virginia Pasti, Antonio Galarreta, Aleksandra Lezaja, Kyra Kirschenbühler, Ralph Imhof, Hubert Rehrauer, Urs Ziegler, Matthias Altmeyer; "Multigenerational cell tracking of DNA replication and heritable DNA damage"; Nature, 2025-5-21
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