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Il ruolo degli RNA non codificanti nel differenziamento muscolare e nella Duchenne

Si è concluso il progetto di ricerca “Ruolo dell’RNA non codificante nella patologia della Duchenne e nuovi potenziali target terapeutici”, avviato nel 2013, condotto dal team di Irene Bozzoni e finanziato dal Fondo Alessandro Cannella di Parent Project Onlus. Illustriamo di seguito i risultati dello studio ripercorrendo, a grandi linee, il lavoro portato avanti in questi ultimi anni sul fronte RNA e Duchenne dal gruppo di ricerca italiano.

Lo sviluppo e il differenziamento muscolare è un settore della ricerca biomedica che è sempre stato ben esplorato, i meccanismi molecolari e cellulari alla base della miogenesi sono ormai caratterizzati e molte conoscenze sono oggi disponibili su come la deregolazione di alcuni di questi processi sia rilevante in patologie muscolari degenerative quali la distrofia muscolare di Duchenne. Ma, come si sa, le conoscenze non bastano mai e i dogmi scientifici sono in continua evoluzione. Per molti anni l’attenzione dei ricercatori è stata principalmente rivolta all’identificazione delle proteine coinvolte nel processo di differenziamento muscolare, ma recenti scoperte hanno evidenziato che una serie di molecole di RNA non codificanti hanno un ruolo importante sia in condizioni fisiologiche che patologiche.

È ormai noto che nelle cellule di mammifero solo una piccola percentuale del DNA (1-2%) produce l’RNA messaggero che sarà tradotto in proteine, mentre una grossa porzione del genoma è trascritta in RNA non codificante (ncRNA) le cui funzioni stanno venendo alla luce in questi ultimi anni. Ed è proprio questa componente “non codificante” che ci contraddistingue dagli organismi più semplici e che sarebbe responsabile dell'aumento della complessità funzionale dei mammiferi e, in particolar modo, dell'uomo. Il gruppo di ricerca guidato da Irene Bozzoni - Professore Ordinario di Biologia Molecolare presso il Dipartimento di Biologia e Biotecnologie “C. Darwin” dell’Università Sapienza di Roma - è storicamente rivolto allo studio dei meccanismi molecolari che regolano la sintesi e la funzione di diversi tipi di RNA ed è stato il primo, nel 2010, ad aver dimostrato il coinvolgimento di alcuni piccoli RNA non codificanti (i microRNA) nella DMD (Leggi: Il ruolo regolatorio della distrofina).

Da diversi anni il laboratorio di Irene Bozzoni, anche con il supporto di Parent Project Onlus, è focalizzato sullo studio di RNA non codificanti nella regolazione dei processi che controllano il differenziamento muscolare e che sono coinvolti nella patogenesi di malattie neuromuscolari, quali la distrofia muscolare di Duchenne. Dopo l’identificazione nel 2010 dei microRNA coinvolti nella patogenesi della DMD, nel 2011 è stata la volta di un lungo RNA non codificante (lncRNA), nello specifico linc-MD1, per cui è stato dimostrato un ruolo nel controllo del differenziamento muscolare e la cui espressione è molto ridotta in pazienti con la Duchenne (Leggi: Uno scudo molecolare per gli RNA messaggeri). Di conseguenza in assenza di linc-MD1 anche la sintesi di distrofina è fortemente ritardata. Il lavoro portato avanti dal team di Irene Bozzoni ha così suggerito che altri membri, non ancora identificati, della stessa classe di RNA non codificanti potessero svolgere un ruolo importante nella formazione e nell’omeostasi del tessuto muscolare fornendo nuove conoscenze sulla distrofia muscolare di Duchenne.

Ed è in questa tematica che si è inserito l’ultimo studio di Bozzoni finanziato da Parent Project Onlus, grazie al Fondo Alessandro Cannella, dal titolo “Ruolo dell’RNA non codificante nella patologia della Duchenne e nuovi potenziali target terapeutici”. Il progetto, che ha avuto la durata di 3 anni, ha permesso la caratterizzazione di un gran numero di altri lncRNA con una funzione rilevante sia nel differenziamento muscolare sia nei processi degenerativi. Partendo da linee cellulari muscolari di topo, e utilizzando sofisticati metodi di sequenziamento e di analisi su larga scala, sono stati identificato 30 nuovi lncRNA che sono specificamente espressi nel muscolo e, in alcuni casi, particolarmente abbondanti nei muscoli distrofici. Tra questi diversi lncRNA, l’attenzione del team italiano è stata focalizzata su lnc-31 che è molto espresso nei mioblasti (le cellule progenitrici delle cellule muscolari) in proliferazione, una condizione tipica dei muscoli distrofici nei quali si instaura un forte processo rigenerativo, e poco nelle fibre muscolari mature.

Il dato interessante, che ha inizialmente incuriosito i ricercatori inducendoli ad approfondire la caratterizzazione di lnc-31, è che questo ncRNA viene trascritto dallo stesso “pezzo” di DNA da cui deriva un altro ncRNA: miR-31, un microRNA già noto per essere coinvolto nei processi di degenerazione muscolare. miR-31, i cui livelli sono alti nei muscoli dei pazienti DMD, agisce infatti reprimendo la produzione della distrofina (Leggi: Un alleato per l’exon skipping: il miR-31). Siamo quindi di fronte a due diverse molecole di RNA non codificanti che sono prodotte, in maniera indipendente tra loro, dallo stesso sito genomico (ovvero dallo stesso “pezzo” di DNA) e che hanno entrambe un’azione di promozione della proliferazione delle cellule muscolari e di repressione sul differenziamento muscolare. In poche parole: un’azione sinergica che va verso una degenerazione muscolare tipica della distrofia. Un altro punto interessante, evidenziato dal lavoro del team di Bozzoni, è che lnc-31, inizialmente identificato in mioblasti di topo, è presente anche nei mioblasti umani nei quali svolge la stessa funzione. Lo stesso era già stato precedentemente dimostrato anche per miR-31. Lo studio suggerisce così una conservazione evolutiva di questi ncRNA e rinforza l’importanza del loro ruolo nello sviluppo e differenziamento muscolare. Tra i vari ncRNA studiati nel laboratorio della Sapienza sono emersi anche dei lncRNA che hanno un’interessante profilo di espressione nel muscolo cardiaco. Una serie di esperimenti molecolari hanno, anche in questo caso, rivelato un ruolo importante nel controllo del differenziamento cardiaco.

Gli studi descritti sono di alto contenuto innovativo nel panorama degli RNA non codificanti e dei processi alla base della miogenesi. I risultati hanno permesso di identificare i circuiti molecolari che sono controllati da molecole di RNA e che, se deregolati, causano patologie muscolari degenerative quali la distrofia muscolare di Duchenne. Parent Project Onlus sostiene la ricerca portata avanti da Irene Bozzoni da ormai 13 anni e questi ultimi risultati dimostrano ancora una volta come sia importante investire in ricerca di base di eccellenza, che non solo svolge un ruolo fondamentale nell’approfondimento della conoscenza della patologia ma serve anche come base per poter ideare e sviluppare nuove strategie terapeutiche.

Lo studio condotto sui lncRNA e su lnc-31 ha condotto a diverse pubblicazione su riviste scientifiche internazionali:

• Twayana S., Legnini I., Cesana M., Cacchiarelli D.,Morlando M. and Bozzoni I. (2013) Biogenesis and function of non coding RNAs in muscle differentiation and in Duchenne Muscular Dystrophy. Soc. Trans., 41:844-9.
• Fatica A. and Bozzoni I. (2014) Long non-coding RNAs: new players in cell differentiation and development. Nature Review Genetics, 15:7-21.
• Ballarino M., Cazzella V., D’Andrea D., Grassi L., Bisceglie L., Cipriano A., Santini T., Pinnarò C., Morlando M., Tramontano A. and Bozzoni I. (2015) Novel lncRNAs in myogenesis: a miR-31 overlapping transcript controls myoblast differentiation. Cell. Biol. 35: 728-736.
• Ballarino M., Morlando M., Fatica A. and Bozzoni I. (2016) Non-coding RNAs in muscle differentiation and musculoskeletal disease. Clin Invest, 126: 2021-2030.

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