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La storia della cellula scritta con i caratteri del DNA

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Un gruppo di ricercatori britannici del Wellcome Trust Genome Campus di Cambridge, in collaborazione con l’Università di Utrecht, ha pubblicato, in una lettera recentemente apparsa su Nature, uno studio relativo al sequenziamento di cellule normali per l’identificazione delle linee di sviluppo e dei processi mutazionali ai quali ogni cellula va incontro nel corso della propria vita.
Le mutazioni somatiche presenti nel genoma di una cellula si accumulano infatti durante i processi vitali di ogni organismo multicellulare. Queste mutazioni possono fornire informazioni sullo sviluppo filogenetico, sul numero di divisioni che ogni cellula ha subito e sui processi mutazionali che sono intervenuti nel corso del tempo.

Gli scienziati hanno ottenuto le sequenze dell’intero genoma di 25 linee clonali ottenute, mediante tecnologia organoide, dallo stomaco, dall’intestino tenue e crasso e dalla prostata di due topi. Le mutazioni somatiche (sostituzioni di base) sono state quindi identificate comparando la sequenza dei cloni derivati dalle singole cellule con tutti gli altri cloni dello stesso topo e con la sequenza della coda. Gli autori hanno così identificato le divisioni cellulari precoci di ciascun animale, ricostruendo quali sono stati i contributi delle cellule embrionali a ciascuno dei tessuti adulti.
Le mutazioni che definiscono le prime quattro generazioni cellulari sono stati identificate nelle code dei due topi, confermando che si sono verificate prima della formazione dei tre foglietti germinativi durante la gastrulazione perché erano presenti nell’endoderma (il precursore di tessuti da cui derivano gli organoidi clonali) e contemporaneamente nel mesoderma o nell’ectoderma, oppure in entrambi (che contribuiscono alla formazione della coda).
Nelle prime fasi di sviluppo dell'embrione, le cellule individuali contribuiscono a diversi tessuti. Ad esempio, almeno tre delle quattro cellule ricostruite dai due topi alla generazione I sono antenati di tutti i tessuti campione, compresa la coda, e hanno quindi probabilmente contribuito a endoderma, mesoderma ed ectoderma.
Diverse caratteristiche di sviluppo dei topi normali possono essere evinte da queste ricostruzioni. Le due cellule figlie delle prime divisioni cellulari embrionali spesso contribuiscono in maniera disuguale alla formazione dei tessuti adulti. Ad esempio, una delle cellule figlie della prima generazione di divisioni cellulari ricostruite nel topo 1 è il progenitore di 12 cloni organoidi, mentre l'altra è il progenitore di uno solo. L’esame della coda di questo animale ha confermato contributi disuguali dei due progenitori: 75% di uno e 30% dell’altro. Questa asimmetria si propaga oltre la prima divisione cellulare in entrambe i topi.

Mutazioni in singole cellule possono fornire informazioni anche riguardo il numero di divisioni cellulari e dei processi di mutazione che sono avvenute nei tessuti normali. Dei quattro tessuti campione, le cellule staminali dell’intestino tenue hanno acquisito significativamente più sostituzioni di base di ogni altro tessuto, mentre quelle della prostata e dello stomaco il minor numero. Queste differenze potrebbero essere dovute a diversi tassi di mutazione per la divisione cellulare in diversi tessuti, diverso numero di divisioni cellulari nelle linee da uovo fecondato a cellule staminali adulte in diversi tessuti, o ad entrambe le ipotesi, suggerendo che il numero di sostituzioni somatiche agisce come un “orologio della divisione cellulare”.
I cataloghi delle mutazioni somatiche fungono da registri “archeologici” che riflettono le esperienze passate delle cellule del cancro.
I risultati ottenuti in questo lavoro dimostrano che gli studi di mutazione possono fornire informazioni sullo sviluppo delle cellule normali. Il sequenziamento di un maggior numero di singole celle di una più ampia gamma di tessuti permetterà la precisa ricostruzione di linee cellulari nella fasi successive dell'embriogenesi con ulteriori approfondimenti dello sviluppo tessuto-specifico, dei processi di mutazione e dei tassi di mutazione.
Studi su diversi animali riveleranno la variabilità tra gli individui e la possibile correlazione con l'età, le malattie e le esposizioni ambientali. Se i tassi di mutazione somatica umani sono simili a quelle nei topi, i risultati indicano che l'applicazione di questo approccio alle cellule umane ci permetterà di ottenere informazioni precise nello sviluppo e nella mutagenesi delle cellule umane normali.

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