Malattie come il cancro e i disturbi neurodegenerativi spesso iniziano con errori genetici. Ma anche dopo che gli scienziati hanno identificato i geni coinvolti, trasformare questa conoscenza in trattamenti efficaci si è rivelato estremamente difficile. Molte di queste malattie sono legate a centinaia di mutazioni distribuite su diverse vie biologiche, il che rende difficile comprendere come, nel loro insieme, contribuiscano allo sviluppo della malattia.
Un nuovo studio pubblicato su Nature introduce una potenziale soluzione. I ricercatori hanno creato una piattaforma chiamata PerturbFate in grado di tracciare sistematicamente come le alterazioni genetiche legate alle malattie modificano le cellule e di identificare i punti in cui tali alterazioni convergono. Osservando la regolazione genica nelle singole cellule nel tempo, il team ha scoperto dei centri di regolazione comuni da cui dipendono molte mutazioni diverse. Utilizzando la resistenza ai farmaci contro il melanoma come caso di studio, i ricercatori hanno dimostrato che intervenire su questi punti di controllo comuni potrebbe contribuire a superare la resistenza dovuta a molteplici cause genetiche.
“Qui ci concentriamo sulla resistenza ai farmaci antitumorali, ma l’articolo parte da una domanda più ampia: una volta appurato che una malattia è associata a centinaia di geni, come si può progettare una terapia mirata?”, afferma Junyue Cao, responsabile del Laboratorio di Genomica a Singola Cellula e Dinamica di Popolazione. “Ci siamo chiesti se tutti questi geni diversi potessero essere mediati da una via di segnalazione a valle comune, che potremmo scoprire e prendere di mira.”
Una sfida crescente nella medicina genetica
I progressi nelle tecnologie di sequenziamento e screening genetico hanno permesso agli scienziati di identificare un gran numero di mutazioni associate alle malattie. Tuttavia, questo progresso ha creato una nuova, importante sfida. I geni coinvolti nelle malattie svolgono spesso funzioni molto diverse all’interno delle cellule, tra cui il controllo dell’attività genica e la gestione delle vie di segnalazione cellulare. A causa di questa complessità, la progettazione di trattamenti in grado di agire contemporaneamente su molte mutazioni si è rivelata difficile.
Cao sospettava che queste mutazioni apparentemente non correlate potessero in realtà agire in modo indipendente. Piuttosto, avrebbero potuto confluire in programmi a valle condivisi che, in ultima analisi, determinano il comportamento delle cellule. Se ciò fosse vero, gli scienziati non avrebbero bisogno di prendere di mira ogni singola mutazione, ma potrebbero concentrarsi sui nodi regolatori comuni che controllano il processo patologico.
“Volevamo sviluppare una tecnologia per identificare questi nodi normativi condivisi come obiettivi a sé stanti”, afferma Cao.
Per raggiungere questo obiettivo, il team aveva bisogno di un sistema in grado di confrontare simultaneamente numerose alterazioni genetiche, monitorando nel dettaglio come ciascuna di esse rimodellasse una cellula. Le tecnologie esistenti potevano cogliere solo una parte del quadro, misurando spesso un solo livello di attività cellulare alla volta o non riuscendo a cogliere come l’attività genica cambi dinamicamente nel tempo.
Lo studente di dottorato Zihan Xu ha sviluppato PerturbFate per superare tali limitazioni. La piattaforma consente ai ricercatori di osservare in tempo reale come diverse alterazioni genetiche modificano le cellule, monitorando simultaneamente l’accessibilità del DNA e la produzione di RNA. Poiché queste misurazioni vengono raccolte all’interno della stessa singola cellula, il sistema può rivelare le reti geniche che controllano il comportamento cellulare e identificare dove mutazioni distinte producono gli stessi effetti a valle.
“Questa tecnologia ci permette di perturbare centinaia o migliaia di geni in parallelo e quindi di misurare i cambiamenti molecolari dettagliati in ogni singola cellula”, afferma Cao. “Ciò ci consente di collegare molte diverse perturbazioni genetiche ai loro effetti a valle e di identificare i nodi regolatori.”
Monitoraggio della resistenza ai farmaci nel melanoma
Per testare la piattaforma, i ricercatori si sono rivolti al melanoma, dove numerose mutazioni possono produrre resistenza al trattamento. Il team ha selezionato 143 geni precedentemente associati alla resistenza al farmaco per il melanoma Vemurafenib e li ha disattivati sistematicamente nelle cellule di melanoma.
Il progetto PerturbFate ha quindi monitorato come ogni alterazione modificasse il comportamento cellulare nel tempo. Etichettando l’RNA di nuova produzione, i ricercatori sono stati in grado di separare la nuova attività genica dai segnali molecolari più vecchi. La profilazione a singola cellula ha inoltre permesso loro di tracciare quali geni fossero attivi, quali regioni del DNA diventassero accessibili e come tali cambiamenti si evolvessero.
Questo approccio dettagliato ha fornito agli scienziati una visione cellula per cellula di come le diverse mutazioni influenzano la regolazione genica e dove questi percorsi convergono infine.
“Non stiamo rilevando solo l’espressione genica, ma anche le dinamiche dell’RNA e lo stato della cromatina”, afferma Cao. “Questo è fondamentale per identificare i regolatori a monte che guidano questi stati patologici.”
Xu ha inoltre creato una pipeline di analisi computazionale che ha combinato tutti questi livelli di informazione in reti dettagliate di regolazione genica. Il sistema ha collegato i cambiamenti precoci nell’attività dei fattori di trascrizione con le successive variazioni nell’accessibilità del DNA, nella produzione di RNA e nei modelli stabili di espressione genica.
Dopo aver esaminato più di 300.000 cellule, i ricercatori hanno scoperto che numerose mutazioni diverse spingevano costantemente le cellule del melanoma verso la stessa condizione di resistenza ai farmaci. Quando il team ha preso di mira i punti di controllo regolatori comuni che determinano tale stato, la resistenza ai farmaci è diminuita significativamente, suggerendo una strategia promettente per le terapie di combinazione.
Un segnale di sopravvivenza condiviso
Lo studio ha inoltre portato alla luce un dettaglio importante riguardante il Complesso Mediatore, una struttura cellulare che contribuisce a regolare l’attività genica. I ricercatori hanno scoperto che l’alterazione di diverse parti di questo complesso potrebbe innescare la resistenza ai farmaci attraverso percorsi biologici completamente differenti. Nonostante queste differenze, i percorsi convergevano comunque sullo stesso segnale di sopravvivenza del melanoma noto come VEGFC.
Quando i ricercatori hanno bloccato il VEGFC, le cellule di melanoma resistenti non sono più state in grado di crescere.
I risultati suggeriscono che anche le malattie genetiche più complesse potrebbero basarsi su vulnerabilità condivise, su cui è possibile intervenire terapeuticamente. Anziché progettare trattamenti separati per ogni singola mutazione, gli scienziati potrebbero concentrarsi sui percorsi regolatori comuni da cui dipendono più mutazioni.
Espandersi oltre il cancro
I ricercatori hanno reso pubblici sia gli strumenti di laboratorio che quelli computazionali alla base di PerturbFate. Ora intendono estendere l’approccio oltre le cellule in coltura e applicarlo ai sistemi viventi.
Cao e i suoi colleghi sperano di utilizzare questa tecnologia per studiare patologie come l’invecchiamento e il morbo di Alzheimer, due importanti aree di ricerca nel suo laboratorio. Il loro obiettivo è individuare punti deboli comuni a diverse malattie complesse, che potrebbero guidare lo sviluppo di terapie più efficaci.
“Questo è solo un punto di partenza”, afferma Cao. “Ora che abbiamo dimostrato la validità dell’approccio in un modello semplice, stiamo lavorando per estenderlo ai sistemi viventi al fine di studiare malattie ancora più complesse.”
Astratto
Gli studi genomici ad alto rendimento hanno rivelato associazioni tra diverse alterazioni genetiche e fenotipi patologici. Tuttavia, chiarire come le perturbazioni in geni funzionalmente diversi diano origine a stati cellulari convergenti rimane una sfida. Qui presentiamo PerturbFate, una piattaforma a singola cellula ad alto rendimento, economicamente vantaggiosa e con indicizzazione combinatoria, che consente l’analisi sistematica dell’interferenza CRISPR in parallelo su larga scala. 1 perturbazioni lungo l’intero spettro della regolazione genica, dal rimodellamento della cromatina e dalla trascrizione nascente ai fenotipi trascrittomici allo stato stazionario. Utilizzando PerturbFate, abbiamo analizzato più di 300.000 cellule di melanoma in coltura per caratterizzare le risposte fenotipiche multimodali e di regolazione genica alle perturbazioni in oltre 140 geni associati alla resistenza al vemurafenib. Abbiamo scoperto uno stato cellulare dedifferenziato condiviso, caratterizzato da attività cooperative convergenti dei fattori di trascrizione in diverse perturbazioni genetiche. Abbiamo inoltre analizzato le risposte fenotipiche alle perturbazioni nei componenti del complesso Mediatore, collegando le proprietà biochimiche specifiche del modulo alle attivazioni trascrizionali convergenti. Abbiamo identificato nodi regolatori comuni che determinano risultati fenotipici simili in diverse perturbazioni genetiche. Abbiamo anche delineato come le perturbazioni in geni funzionalmente non correlati rimodellano lo stato cellulare. Pertanto, PerturbFate crea una piattaforma versatile per l’identificazione dei principali regolatori molecolari, ancorando le dinamiche regolatorie multimodali a fenotipi rilevanti per la malattia.
Materials provided by Rockefeller University. Note: Content may be edited for style and length.
Journal Reference:
- Zihan Xu, Ziyu Lu, Aileen Ugurbil, Abdulraouf Abdulraouf, Andrew Liao, Jianxiang Zhang, Wei Zhou, Junyue Cao. Mapping convergent regulators of melanoma drug resistance by PerturbFate. Nature, 2026; DOI: 10.1038/s41586-026-10367-0
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