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”
Qual è il percorso professionale “tipo” di un
ricercatore?
Dottorato di Ricerca
(3 anni)
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
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
Si impara come si fa la
Ricerca nel Mondo ed…
Si apre la mente a nuove
Culture.
(Italia)
Altri paesi Europei
Stati Uniti
Asia
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?
•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
PASSIONE E IMPEGNO
papà
Papà
MEIOSI
(testicolo)
Geni
paterni
spermatozoo
cromosoma
22 Cromosomi +
Cromosoma X oppure Y
mamma
Mamma
MEIOSI
(ovaio)
Fecondazione!
ovocita
cromosoma
22 Cromosomi +
Cromosoma X
Geni
materni
La nostra domanda
Dai GENI:
2 metri di DNA in
UNA cellula uovo
fecondata…
… a un nuovo
individuo!
Nello sviluppo
normale
Nella malattia:
Zygote
- Malattia genetica
- Cancro
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
Ippocampo
Corteccia cerebrale
Cervelletto
Esistono malattie che colpiscono specifici tipi di neuroni
Midollo spinale
Neuroni e glia (di ogni tipo) sono prodotti da
cellule staminali neurali
Cellule Staminali Neurali
NEURONI
ASTROCITI
OLIGODENDROCITI
“SELF- RENEWAL”
DIFFERENZIAMENTO
una cellula staminale può
produrre molte cellule staminali
uguali a se stessa
Una cellula staminale puo’ differenziare
in tipi cellulari altamente specializzati
Sviluppo e differenziamento cellulare durante lo sviluppo (inclusi neuroni e glia)…
…sono il prodotto dell’attività dei geni
03/02/2015
17
Il CODICE GENETICO è universale
Sequenza lineare di nucleotidi (A,T,G,C)
del DNA
CODICE: 3 nucleotidi=1 aminoacido
Sequenza lineare di aminoacidi (20 diversi)
della proteina
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
Un FATTORE TRASCRIZIONALE è una proteina regolatrice, che controlla
l’attività di molti geni diversi
03/02/2015
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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
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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…
Normal
SOX2 +/-
Normal
SOX2 +/-
…che sono spesso associati a EPILESSIA, e problemi di
APPRENDIMENTO e MEMORIA
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
Sox2 promotore
• …in molte specie diverse
(transgene lacZ - blu)
Sox2 è attivo nelle CELLULE STAMINALI NEURALI che “costruiscono” il
sistema nervoso, cervello incluso, durante lo sviluppo… e che
rimangono attive nell’ippocampo!!
Cervello embrionale
sox2
Sox2 promotore
(transgene lacZ - blu)
in vitro, e in vivo
differenziamento
Auto-rinnovamento:
1 cellula staminale dà
2 cellule staminali
Neuroni, astroglia, oligodendroglia
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
Per qualsiasi punto del genoma si puo’ cercare se c’è legato Sox2
anticorpo
anti-Sox2
“picco” Sox2
gene
Immunoprecipitazione
DNA legato da
Sox2;
sequenziamento
…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 molecolesegnale appropriate (un farmaco “agonista” di Shh)
Mutazione nel gene Sox2
Perdita cellule staminali
Perdita molecola-segnale Shh
Somministrazione farmaco
che mima l’azione di Shh
(topo)
Recupero (parziale) cellule
staminali
normale
mutante
Difetto ippocampale
(topo;uomo)
Recupero (parziale)
ippocampo
Mutante +
farmaco
Cellule staminali
ippocampo
Recupero
Favaro R et al., Nat. Neurosci. 2009
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
LCR interagisce “a lunga distanza”
Con il gene β-globinico
LCR- gene β-globinico
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)
2)
3)
4)
Quali sono i geni o le regioni di Dna responsabili di una certa malattia?
Quale meccanismo biologico è regolato da queste porzioni di Dna? Come è alterato
nelle persone malate?
Quale strategia posso adottare per riparare l’errore?
Quando una strategia si rivela efficace in laboratorio, come faccio a sapere se
funziona nell’uomo?
13/05/2014
38
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.
13/05/2014
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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
13/05/2014
40
Cosa sapete delle malattie rare?
13/05/2014
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Film su personaggi di fantasia…
Forrest Gump ha la sindrome
dell’X fragile
Ne “Il favoloso mondo di Amelie”
il vicino ha l’osteogenesi imperfetta
13/05/2014
La condizione di Benjamin Button si inspira alla sindrome di
Werner, o da invecchiamento precoce
42
Nei telefilm…
Nella serie tv “Doctor House” la dottoressa Tredici scopre di
avere la malattia di Huntington
13/05/2014
43
Ma anche film ispirati a storie vere…
Adrenoleucodistrofia
13/05/2014
Xeroderma
pigmentosum
Malattia di Pompe
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E libri su storie di malati rari
Storia di un viaggio negli Usa in
moto di un padre insieme al figlio
affetto da autismo
13/05/2014
Scrittore e personaggio
tv affetto da talassemia
major
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Ma anche personaggi reali
Stefano Borgonovo,
Sla
Michel Petrucciani,
osteogenesi imperfetta
13/05/2014
Figlio di Colin Farrell,
sindrome di Angelman
Annalisa Minetti,
retinite pigmentosa
Abraham Lincoln,
sindrome di Marfan
Michael J Fox,
Parkinson giovanile 46
Malattie genetiche, rare e sconosciute?
Prese singolarmente sono rare…
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).
13/05/2014
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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
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.
13/05/2014
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Perché studiare le malattie genetiche?
Perché tutti hanno diritto a sperare in una cura, non
importa quanto rara sia la loro malattia
13/05/2014
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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!
Mohammad
(Libano)
13/05/2014
Giovanni
(Usa)
Kamal
(Egitto)
Samuel
(Italia)
Jacob
(Usa)
Canalp
(Turchia)
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