Laboratorio di epigenetica

Il Laboratorio di Epigenetica si pone come un laboratorio translazionale in cui la stretta cooperazione con la clinica svolge un ruolo centrale nella determinazione delle sue attività. L’epigenetica è una disciplina nata di recente e solo negli ultimi pochi anni, a seguito di una sempre maggiore comprensione dei meccanismi che ad essa sottendono, è stato possibile interpretarne la potenziale rilevanza clinica in diagnosi e terapia specie nell’ambito della prorompente necessità di cure sempre più mirate ed efficaci come indicato dai proponimenti della cosiddetta “medicina di precisione” a cui l’epigenetica completamente appartiene e contribuisce. La realizzazione di uno studio di epiegenetica infatti richiede l’accesso alle più sofisticate tecnologie rese disponibili dalla bioinformatica, il sequenziamento massivo e l’utilizzo di biotecnologie per il trasferimento e la correzione di eventuali difetti nell’espressone genica sia essa realizzata mediante specifici interventi di bioingegneria che con lo sviluppo di nuove molecole ad attività selettiva verso enzimi epigenetici o nei confronti di quelle vie metaboliche che ne regolano la funzione.

 

Attività di Ricerca

Nell’ ambito delle sue attività il Laboratorio di Epigenetica dedicherà particolare attenzione all’applicazione dei tipici criteri epigenetici (riconoscimento di modificazioni strutturali della cromatina associate a condizioni fisopatologiche quali il diabete, il cancro, le malattie cardiovascolai fra cui di particolare rilievo è l’insuffcienza cardiaca, le malattie respiratorie fra cui la sindrome ostruttiva pomonare cronica. Per citarne solo alcune delle più rilevanti). Tali investigazioni sono già in corso e verranno approfondite in collaborazione con i Dipartimenti Clinici degli Istituti Scientifici Maugeri venendo a realizzare studi sperimentali in soggetti umani e per condizioni cliniche ben selezionate e  rilevanti  Principale obiettivo di tale attività di ricerca sarà la dissezione del ruolo dei meccanismi epigenetici nell’eziopatologia di condizioni croniche associate spesso all’ età o alla presenza di gravi disabilità con il possibilie contributo dell'epigenetica alla comprensione, miglioramento ed eventuale risoluzione della malattia. Il laboratorio di Epigenetica si avvale infatti di un vasto e pregresso background di studi di epigenetica applicata a malattie croniche del sistema cardiovascolare e muscolo-scheletrico. In questa direzione il laboratorio ha infatti stabilito modelli in vitro di malattia umana, i cosiddetti “diseased cellular systems” realizzati mediante utilizzo di cellule primarie umane isolate da donatori volontari sia diabetici che normoglicemici ma comunque soggetti ad interventi chirurgici per la presenza di varie cardiomiopatie. In questo ambito, ci siamo particolarmente concentrati sulle conseguenze epigenetiche di alterate condizioni metaboliche (ad esempio l’iperglicemia) che possono determinare alterazioni metaboliche e il loro effetto sulla conformazione del DNA, dell’RNA e la loro integrità e funzione. Parallelamente a questa ricerca, in collaborazione con altre istituzioni in Europa e negli Stati Uniti, abbiamo caratterizzato nuove piccole molecole mirate alla regolazione della metilazione del DNA. Questa attività ha recentemente portato all'identificazione di un nuovo composto in grado di modulare il contenuto di DNA metilato in alcuni modelli cellulari e animali di diabete di tipo II, potenzialmente migliorando la risposta terapeutica specie nei confronti delle complicanze spesso asspciate a tale patologia.

 

Progetti di Ricerca in corso

Progetto Epigenetica dello scompenso cardiaco.

Questo è un progetto di interesse istituzionale che verrà svolto in maniera multicentrica sfruttando le risorse del Dipartimento di Cardiologia messe a disposizione dal Direttore Roberto Pedretti e dai diversi Istituti Maugeri afferenti. I microRNA (miRNAs) sono brevi RNA non codificanti (≈ 22 nucleotidi) che modificano l’espressione dei geni a livello post-trascrizionale durante varie fasi dello sviluppo o nei processi di malattia. Questi ≈ 22 nucleotidi si legano ai loro bersagli nel 3' non tradotto (UTR) di specifici RNA messaggeri (mRNA) per inibirne la traduzione o provocarne la degradazione. L'impatto potenziale dei miRNAs sulla funzione cardiaca è profondo e riguarda specialmente la regolazione di processi come la fibrosi, l’angiogenesi, la crescita cellulare, l’apoptosi, e le alterazioni elettrofisiologiche. Queste osservazioni hanno focalizzato l’attenzione sui miRNAs come importanti fattori in fisiopatologia che come biomarcatori di insufficienza cardiaca (HF) oltre che possibili bersagli terapeutici. Studi recenti hanno, infatti, stabilito che i miRNA sono cruciali per lo sviluppo e il corretto funzionamento del cuore. Durante le malattie cardiovascolari, la normale espressione dei miRNA cambia significativamente e livelli e tipologia di espressione dei miRNA sembrano essere correlati a specifici disturbi cardiovascolari. La deregolazione dell'espressione dei miRNA è stata dimostrata nell'infarto miocardico acuto, nell' ipertrofia cardiaca e in varie cardiomiopatie inclusa l’HF cardiaca cronica, il che sottolinea il ruolo importante dei miRNA nella fisiopatologia cardiaca in generale. E’ attualmente possibile utilizzarli al fine di monitorare risposte terapeutiche o stadi fisiopatologici. In futuro, come predetto, i miRNA potranno essere utilizzati anche come agenti terapeutici diretti o in associazione con altri farmaci.

Oltre i miRNAs altri parametri molecolari possono essere monitorati in associazione alle patologie cardiovascolari ed in particolare la lunghezza dei telomeri e l’attività dell’enzima telomerasi sono stati associati all’HF. Infatti, la bassa attività telomerasica e la breve lunghezza telomerica riscontrabile nei leucociti sono state associate all’aterosclerosi e allo stato di instabilità della placca, così come all’ictus o all’ infarto miocardico acuto. Inoltre l’invecchiamento del miocardio con accorciamento telomerico e accumulo di cellule senescenti è una delle condizioni riportate che limita le capacità rigenerative di questo tessuto, contribuendo all'insufficienza cardiaca sistolica o diastolica. In questo ambito, si ritiene che la lunghezza telomerica possa servire come marker per lo stato biologico delle precedenti divisioni cellulari e della presenza di eventuale danno al DNA causato da infiammazione e stress ossidativo. Dati della letteratura indicano che tali parametri possono essere integrati nella previsione dei rischi in essere ed essere utilizzati in precisi trattamenti personalizzati.

Lo studio sull’epigenetica dello scompenso cardiaco è condotto in collaborazione con il Dipartimento di Cardiologia Riabilitativa di ICS Maugeri  che si pone come obbiettivo generale quello di verificare se la associazione tra un periodo di training fisico di 12 settimane (durante un programma di cardiologia riabilitativa ambulatoriale) e la terapia con LCZ696 (Entresto®) (introdotta entro il termine di un precedente ricovero in cardiologia riabilitativa degenziale, secondo le norme di prescrivibilità AIFA per LCZ696), migliori la capacità funzionale, la qualità della vita, lo stato di idratazione, il profilo emodinamico e l’outcome clinico a 12 e 52 settimane rispetto alla sola terapia farmacologica con Entresto®.  In questo ambito lo studio molecolare qui proposto si integra con le valutazioni cliniche già pianificate ed in particolare è mirato alla determinazione della risposta rigenerativa tessutale mediante valutazione di specifici parametri biomolecolari, inclusivi di miRNAs e attività telomerasica, in grado di fornire un quadro additivo ed integrativo delle valutazioni fisico-cliniche già previste nel succitato protocollo.

 

Progetto sleep apnea ostruttiva e placca carotidea: ruolo dei fattori epigenetici.

Questo progetto nasce da una proposta finanaziata dal Ministero della Salute nell’ ambito delle attività della rete cardiologica. Il progetto verrà svolto in collaborazione fra il Laboratorio di Epigenetica e l’Istituto Maugeri di Montescano diretto dalla Dott.ssa Maria Teresea Larovere e presso il quale verranno individuati i pazienti. Ruolo fondamentale per la progressione delle attività progettuali lo avrà l’Unità di Medicina del sonno diretta dal Dr. Francesco Fanfulla.  L’apnea ostruttiva nel sonno (OSA) colpisce all’incirca il ∼ 9 – 38% della popolazione generale adulta, tra cui  ∼ 13 – 33% degli uomini e ∼ 6 – 19% delle donne, con tassi di prevalenza che aumentano con l'età. Per quanto riguarda la malattia cerebrovascolare, studi epidemiologici e longitudinali dimostrano che nella popolazione generale l'OSA è un importante fattore di rischio per lo stroke. Altri studi, inoltre, suggeriscono che OSA rappresenti un predittore indipendente di aterosclerosi. L'apnea ostruttiva è caratterizzata da apnee ripetute durante il sonno determinate dalla chiusura delle vie respiratorie superiori con conseguente ipossia intermittente cronica e ipercapnia, oscillazioni nella pressione intratoracica, incremento dell’attività simpatica, della pressione sanguigna e del flusso sanguigno cerebrale e frammentazione del sonno.  Come conseguenza di questi effetti acuti, studi in modelli animali suggeriscono che l’OSA possa avere effetti aterogenici diretti mediante l’attivazione di una serie di meccanismi intermedi che coinvolgono l'infiammazione sistematica, lo stress ossidativo, l'attivazione delle cellule lisce vascolari, l'aumentata espressione di molecole di adesione, l’attivazione di monociti/linfociti, l’aumento del carico lipidico nei macrofagi, la perossidazione lipidica e la disfunzione endoteliale. L'ipossia intermittente è considerata il meccanismo unificante fra OSA e disfunzione endoteliale/aterosclerosi. Come conseguenza dell'ipossia intermittente periodica si genera un danno di ossigenazione/re-ossigenazione, che a sua volta è responsabile della produzione di specie reattive dell'ossigeno promuovendo in questo modo infiammazione e disfunzione endoteliale.  Sebbene nel corso degli ultimi anni, il ruolo di modificazioni epigenetiche come la metilazione del DNA, l’acetilazione e la metilazione degli istoni e le variazioni nei livelli di espressione dei microRNA (miRNA) sia emerso come un importante determinante della patogenesi dell’aterosclerosi, non è tuttora noto se tali fattori epigenetici giochino un ruolo significativo anche nell’accelerare il “burden” aterosclerotico dei soggetti con OSA. Alcuni dati preliminari sostengono l’esistenza di tale relazione. In un modello sperimentale di ipossia intermittente su cellule endoteliali aortiche di topo, l’ipossia intermittente, infatti, ha indotto una alterata espressione di miRNAs e tali alterazioni sono state associate all’espressione di geni coinvolti nella regolazione dell’autofagia. Inoltre, un recente studio ha esaminato le differenze nella espressione di miRNAs candidati nella associazione fra OSA e aterosclerosi carotidea. In questo studio, l’espressione del miR-664a-3p correlava con l’indice di apnea e ipopnea, con la massima desaturazione di O2 e massima stenosi carotidea, mentre l’espressone del miR-365a-3p correlava con stenosi carotidea, ma non con OSA facendone interessanti marcatori biomolecolari di potenziale danno da approfondire nell’ambito di successive osservazioni.

 

Progetti di Ricerca in programmazione

Epigenetica dell´invecchiamento e della fragilità.

Questo progetto swi ripromette la realizzazione di un network interistituzionale distribuito sul territorio italiano con la partecipazione oltre alla ICS Maugeri di altri Istituti contributori quali l’Istituto di Biologia Cellulare e Neurobiologia del CNR, l’IRCCS Multimedica, e l’Istituto per il Ricovero e la Cura dell’Anziano. L'aspettativa di vita umana è aumentata drammaticamente nel secolo scorso e, di conseguenza, anche la prevalenza di una varietà di malattie e sindromi correlate all'età. Una delle più comuni e importanti di queste sindromi è la fragilità. Questa entità è teoricamente definita come uno stato clinicamente riconoscibile di maggiore vulnerabilità a ulteriori malattie e mortalità derivanti dal declino associato all'invecchiamento nella riserva e nella funzione tra più sistemi fisiologici. Mentre sono state proposte ampie definizioni di fragilità, compresi i domini psicologici e sociali, il concetto di fragilità fisica originariamente proposto da Fried sta acquisendo particolare rilevanza per la sua forte, ma scarsamente comprensibile, associazione con le malattie cardiovascolari. Tra le malattie cardiovascolari prevalenti nelle persone anziane, l'insufficienza cardiaca (HF) è una delle principali cause di morbilità e mortalità e gli anziani con una storia di scompenso cardiaco presentano maggiori probabilità di presentare fragilità fisica con una prevalenza che va dal 25 al 50% di tutti i pazienti con scompenso cardiaco. Coerentemente, i pazienti anziani con riconosciuta fragilità fisica sono ad aumentato rischio di ospedalizzazione per scompenso cardiaco. Sebbene l'HF e la fragilità fisica possano essere chiaramente collegate da percorsi comuni, i mediatori molecolari e cellulari che sottolineano questa condizione patofisiologica non sono ancora compresi, limitando così le possibilità di progettare efficacemente strategie preventive e terapeutiche. In particolare, le alterazioni epigenetiche e il carico infiammatorio correlato all'accumulo di cellule senescenti appaiono come i principali regolatori della funzione muscolare e cardiaca nell'invecchiamento. Tuttavia, se possono ragionevolmente costituire obiettivi per lo sviluppo di terapie in pazienti fragili con scompenso cardiaco, è ancora sconosciuto. Obiettivi di questo studio saranno, a breve termine, i) la comprensione molecolare dell'effetto delle terapie farmacologiche e riabilitative combinate su pazienti fragili umani con scompenso cardiaco; ii) l'identificazione di innovative strategie epigenetiche per ridurre l'impatto dei fattori di rischio associati all'invecchiamento nei modelli di fragilità realizzati nei topi. A lungo termine, tuttavia, questo progetto vorrebbe contribuire al miglioramento della vita dei pazienti fragili. Per raggiungere questo obiettivo ambizioso trarremo vamtaggio dalle seguento risorse chiave: A) la disponibilità di una coorte di pazienti fragili ben definiti, scelti tra popolazione maschile e femminile di età> 65 anni; B) una profonda esperienza nelle analisi da eseguire a livello cellulare, molecolare ed epigenetico; C) l'accesso ad una struttura per studi in vivo all'avanguardia in cui il modello di fragilità derivato da topi normalmente invecchiati è stato ben definito e caratterizzato e dove sarà implementato un monitoraggio non invasivo della funzione cardiaca nei roditori anziani; D) La possibilità di valutare l'effetto di farmaci epigeneticamente attivi durante il trattamento fisico in un modello murino che esprime un gene reporter per monitorare l'accumulo di cellule senescenti in vivo. Queste risorse di indagare sulle conseguenze dell'invecchiamento, della fragilità e dell'HF e di scambiare informazioni sul loro impatto tramite i social media ricevendo un feedback attivo.

 

Pubblicazioni

  • Heid, J., Cencioni, C., Ripa, R., Baumgart, M., Atlante, S., Milano, G., Scopece, A., Kuenne, C., Guenther, S., Azzimato, V., Farsetti, A., Rossi, G., Braun, T., Pompilio, G., Martelli, F., Zeiher, A. M., Cellerino, A., Gaetano, C., and Spallotta, F. (2017) Age-dependent increase of oxidative stress regulates microRNA-29 family preserving cardiac health. Sci Rep 7, 16839

  • Barbati, S. A., Colussi, C., Bacci, L., Aiello, A., Re, A., Stigliano, E., Isidori, A. M., Grassi, C., Pontecorvi, A., Farsetti, A., Gaetano, C., and Nanni, S. (2017) Transcription Factor CREM Mediates High Glucose Response in Cardiomyocytes and in a Male Mouse Model of Prolonged Hyperglycemia. Endocrinology 158, 2391-2405

  • Cencioni, C., Atlante, S., Savoia, M., Martelli, F., Farsetti, A., Capogrossi, M. C., Zeiher, A. M., Gaetano, C., and Spallotta, F. (2017) The double life of cardiac mesenchymal cells: Epimetabolic sensors and therapeutic assets for heart regeneration. Pharmacol Ther 171, 43-55

  • Cencioni, C., Spallotta, F., Farsetti, A., Zeiher, A. M., and Gaetano, C. (2017) Deciphering Histone Code Enigmas Sheds New Light on Cardiac Regeneration. Circ Res 120, 1370-1372

  • Cencioni, C., Spallotta, F., and Gaetano, C. (2017) Dark Side of the Deep Heart. Circ Cardiovasc Genet 10

  • Fuschi, P., Carrara, M., Voellenkle, C., Garcia-Manteiga, J. M., Righini, P., Maimone, B., Sangalli, E., Villa, F., Specchia, C., Picozza, M., Nano, G., Gaetano, C., Spinetti, G., Puca, A. A., Magenta, A., and Martelli, F. (2017) Central role of the p53 pathway in the noncoding-RNA response to oxidative stress. Aging (Albany NY) 9, 2559-2586

  • Fuschi, P., Maimone, B., Gaetano, C., and Martelli, F. (2017) Noncoding RNAs in the Vascular System Response to Oxidative Stress. Antioxid Redox Signal

  • Greco, S., Zaccagnini, G., Fuschi, P., Voellenkle, C., Carrara, M., Sadeghi, I., Bearzi, C., Maimone, B., Castelvecchio, S., Stellos, K., Gaetano, C., Menicanti, L., and Martelli, F. (2017) Increased BACE1-AS long noncoding RNA and beta-amyloid levels in heart failure. Cardiovasc Res 113, 453-463

  • Schneiderova, M., Naccarati, A., Pardini, B., Rosa, F., Gaetano, C. D., Jiraskova, K., Opattova, A., Levy, M., Veskrna, K., Veskrnova, V., Buchler, T., Landi, S., Vodicka, P., and Vymetalkova, V. (2017) MicroRNA-binding site polymorphisms in genes involved in colorectal cancer etiopathogenesis and their impact on disease prognosis. Mutagenesis 32, 533-542

  • Vymetalkova, V., Pardini, B., Rosa, F., Jiraskova, K., Di Gaetano, C., Bendova, P., Levy, M., Veskrnova, V., Buchler, T., Vodickova, L., Naccarati, A., and Vodicka, P. (2017) Polymorphisms in microRNA binding sites of mucin genes as predictors of clinical outcome in colorectal cancer patients. Carcinogenesis 38, 28-39

  • Zaccagnini, G., Maimone, B., Fuschi, P., Maselli, D., Spinetti, G., Gaetano, C., and Martelli, F. (2017) Overexpression of miR-210 and its significance in ischemic tissue damage. Sci Rep 7, 9563