CRISPR, con l’editing genetico nuove scoperte sull’origine del colore della pelle

Da oltre dieci anni, la tecnologia CRISPR è stata impiegata in una vasta gamma di applicazioni, dalla biomedicina alla produzione alimentare. Recentemente, un team di scienziati dell’Università di Stanford ha utilizzato questa tecnologia per scoprire una lista di geni coinvolti nella produzione e nella regolazione della pigmentazione cutanea umana. La loro ricerca ha messo in evidenza 135 geni precedentemente sconosciuti, chiamati melanina-promotori, e ha caratterizzato i ruoli di due proteine coinvolte nella produzione di melanociti, le cellule specializzate responsabili della produzione di melanina. Le intuizioni ottenute da questo studio potrebbero contribuire a migliorare la comprensione del cancro della pelle, dei difetti di pigmentazione cutanea e persino delle malattie neurodegenerative.

I dettagli dello studio sono stati pubblicati su Science in un articolo dal titolo “Uno screening genetico a livello genomica scopre i determinanti della pigmentazione umana.”

La Complessità della Pigmentazione Cutanea

La ricca diversità dei toni della pelle umana è determinata dalla quantità, dal tipo e dalla distribuzione del pigmento melanina presente in ciascun individuo. In passato, gli scienziati hanno condotto studi di associazione a livello genomica (GWAS) focalizzati sui melanociti, che hanno mappato, tra le altre cose, i geni coinvolti nelle malattie di ipo- e iper-pigmentazione. Tuttavia, la natura esatta della genetica della pigmentazione cutanea non è stata completamente esplorata, secondo i ricercatori. In effetti, i risultati dei precedenti studi GWAS rappresentano solo una piccola frazione della variazione osservata nelle popolazioni utilizzate per tali studi.

La Ricerca della Professoressa Joanna Wysocka

La comprensione della genetica delle variazioni nei tratti umani è stato un obiettivo di lunga data del laboratorio della professoressa Joanna Wysocka, PhD, docente di biologia dello sviluppo e di biologia chimica e dei sistemi presso l’Università di Stanford e autrice senior dell’articolo. Il lavoro del suo laboratorio include studi sulle differenze craniofacciali tra le persone e sui tipi di cellule che ne sono responsabili. Queste cellule derivano dalle cellule della cresta neurale durante lo sviluppo precoce, proprio come i melanociti, responsabili delle variazioni nella pigmentazione cutanea.

L’Innovazione del CRISPR

Questo studio segna la prima volta in cui il CRISPR è stato utilizzato per esplorare i geni coinvolti nella regolazione della produzione di melanina cutanea umana. Secondo la professoressa Wysocka, “Per la prima volta, abbiamo potuto condurre uno screening genetico a livello genomica nelle cellule umane. Con il CRISPR, ciò che è diventato possibile, potevamo solo sognarlo in precedenza.” Senza di esso, la fase di screening di questo studio sarebbe stata molto più impegnativa da realizzare.

Il Ruolo Chiave del Dottor Vivek Bajpai

Il dottor Vivek Bajpai, PhD, ora professore assistente di ingegneria chimica, biologica e dei materiali presso l’Università dell’Oklahoma e primo autore dell’articolo, ha lavorato allo studio mentre completava un programma post-dottorato nel laboratorio della professoressa Wysocka a Stanford. Alcuni dei suoi interessi di ricerca riguardano le cellule staminali e l’ingegneria dei tessuti, compreso l’uso di cellule staminali pluripotenti indotte per creare cellule della cresta neurale e melanociti. La sua conoscenza sulle interazioni di queste cellule con la luce è stata fondamentale nella progettazione del test che il team ha utilizzato per distinguere tra cellule con diversi livelli di pigmentazione. “Il test doveva essere relativamente semplice in modo da poterlo scalare. Ecco dove è entrata in gioco l’idea di Vivek di utilizzare le proprietà di diffusione della luce,” ha affermato la professoressa Wysocka.

La Scoperta chiave della Diffusione della Luce

I melanociti pigmentati diffondono la luce in modi diversi a seconda del livello di melanina presente. E questi profili di diffusione possono essere rilevati utilizzando la citometria a flusso. Basandosi sulla sua conoscenza di questa caratteristica, Bajpai ha sviluppato un test basato sulla citometria a flusso in grado di separare i melanociti più scuri da quelli più chiari in base ai loro profili di diffusione. Questo passaggio cruciale ha reso possibile condurre screening CRISPR a livello genomica su gruppi di cellule simili, consentendo infine di valutare l’impatto di diversi geni sulla melanina.

Geni chiave identificati con la CRISPR: sono più di quanto si pensasse

Il team ha progettato lo screening per identificare solo i geni direttamente coinvolti nella produzione di melanina, escludendo quelli che la sopprimono. Lo screening ha anche escluso i geni essenziali per la sopravvivenza cellulare e che svolgono un ruolo nella pigmentazione, come indicato dai ricercatori. Complessivamente, sono stati identificati 169 geni coinvolti nella melanogenesi, tra cui alcuni già noti. L’esclusione dei geni noti ha portato a identificare 135 geni precedentemente non associati al colore della pelle in altri studi. Tuttavia, è importante sottolineare un’importante limitazione spiegata nell’articolo.

Le Complesse Interazioni Genetiche nella Pigmentazione Cutanea

Le variazioni nei livelli di melanina potrebbero essere dovute alla codifica genetica o al risultato di diverse velocità di melanogenesi, che comportano un’espressione differenziale dei geni associati alla melanina. Per cercare di valutare l’impatto della codifica genetica coinvolgendo i geni identificati dallo screening, gli scienziati hanno testato i livelli di RNA in campioni di prepuzio provenienti da 33 neonati con diversi livelli di melanina. I risultati hanno mostrato che la maggior parte dei geni identificati dallo screening era sovra-regolata nei neonati con tonalità di pelle più scure.

Il Ruolo della Codifica Genetica

Tuttavia, queste differenze nei livelli di RNA tra melanociti fortemente e debolmente pigmentati potrebbero essere dovute alla codifica genetica o a conseguenza di diverse velocità di melanogenesi. Pertanto, il team ha approfondito ulteriormente il confronto dei loro risultati con i dati di altri studi di associazione a livello genomica. Hanno scoperto che alcuni dei geni identificati dallo screening erano associati alla variazione dei toni della pelle in tali popolazioni, suggerendo che la codifica genetica giochi un ruolo significativo nei livelli osservati di melanina.

Le Prospettive Future aperte dalla CRISPR

Ci sono molte cose da imparare su come esattamente i geni identificati dallo screening contribuiscano alla melanogenesi, ma ci sono alcune linee guida generali. Gli scienziati hanno categorizzato i 135 geni candidati in due gruppi: quelli coinvolti nella regolazione genica e quelli coinvolti nelle vie di traffico endosomale. Come parte dello studio, ne è stato selezionato uno da ciascun gruppo e ne sono state caratterizzate più approfonditamente le meccaniche sottostanti.

Da questa scoperta potrebbero arrivare novità anche nella lotta al cancro e alle malattie neurodegenerative

La scoperta di nuovi geni coinvolti nella pigmentazione cutanea umana grazie alla tecnologia CRISPR rappresenta un importante passo avanti nella comprensione della complessità genetica di questo tratto. Questi risultati aprono nuove strade di ricerca, inclusa la possibilità di indagare sulle malattie come il cancro e l’ipersensibilità al melanoma in relazione ai livelli di pigmentazione della pelle. Inoltre, possono essere utilizzati per studiare le condizioni di ipo e iper-pigmentazione, come l’albinismo e il vitiligine, e addirittura per esplorare il ruolo dei geni nella produzione di neuromelanina nel cervello, il che potrebbe avere implicazioni per le malattie neurodegenerative come il morbo di Parkinson. Gli sviluppi futuri in questo campo promettono di essere entusiasmanti, aprendo nuove prospettive per la ricerca scientifica e medica.