Gente di Sardegna: la genetica a cielo aperto

Pubblicato il: 3 Agosto 2022|

Un patrimonio inestimabile. È il genoma umano di popolazioni particolarmente isolate, che vivono in una determinata regione per molti secoli con una minima mescolanza con l’esterno. Utile per caratterizzare le basi genetiche di tratti e malattie monogeniche e poligeniche. In Italia un luogo rinomato in tal senso è l’Ogliastra, una zona nel Centro-Est della Sardegna, abitata da circa 60 mila persone, chiusa tra due catene montuose e dal mare. Qui gli abitanti sono da tempo oggetto di studio in diversi progetti. Uno è il Sardinia (chiamato anche Progenia), nato con l’intento di svelare i processi genetici coinvolti nei tratti e nelle malattie legate all’età partendo da una popolazione “fondatrice”, per poi estendere i risultati a quella “discendente”. Partito nel 2001 per intuizione di Giuseppe Pilia, Principal investigator per l’Istituto di Ricerca genetica e biomedica (Irgb) del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr) di Cagliari e il National institute on aging (Nia, da qui il nome “Sardi+Nia”) dei National institutes of health statunitensi che lo hanno finanziato sin dal principio, il progetto ha portato a diversi e importanti risultati e studi negli anni. L’ultimo, in ordine cronologico, pubblicato lo scorso giugno su Nature (“The longitudinal dynamics and natural history of clonal haematopoiesis”), riguarda l’evoluzione delle cellule staminali ematopoietiche con l’età.

L’ematopoiesi clonale

Tutte le cellule del sangue derivano da una riserva di staminali ematopoietiche, cellule pluripotenti non ancora differenziate che tramite l’ematopoiesi si specializzano. Tale processo rimane altamente efficiente per decenni, per poi incepparsi con l’invecchiamento. Nel corso degli anni infatti tutte le cellule, comprese quelle del sangue, acquisiscono mutazioni somatiche (quindi non ereditate) del Dna, alcune delle quali possono portare a una proliferazione della cellula mutante stessa, producendo una serie di cloni. Nel caso delle cellule staminali ematopoietiche si parla di “ematopoiesi clonale”, un processo che diventa onnipresente con l’avanzare dell’età ed è associato a un aumentato rischio di leucemie mieloidi e di alcune malattie non ematologiche. Spiega Francesco Cucca, professore di genetica medica presso l’Università degli studi di Sassari e coordinatore del progetto Sardinia-Progenia a partire dal 2010: “L’ematopoiesi porta a cellule indipendenti l’una dall’altra, ma capita che a un certo punto della vita, soprattutto dopo i 60 anni, si formino cloni. Cioè copie derivate da una cellula capostipite, che si espande con una certa velocità e può diventare dominante o restare in minoranza”.

Incontro fortuito

Le incognite? Come e quando si sviluppa l’ematopoiesi clonale, quali fattori ne regolano il comportamento, come interagisce con l’invecchiamento e come queste variabili si relazionano con la progressione maligna. Qualche anno fa George Vassiliou, capo dell’Haematological Cancer Genetics Group presso il Sanger Institute e membro della Faculty presso il Cambridge Stem Cell Institute dell’omonima Università inglese, aveva pensato a uno studio sull’ematopoiesi clonale per trovare le risposte. Ma c’era un problema: reperire una serie di campioni del sangue raccolti longitudinalmente nel tempo. “Noi potevamo arrivare anche a migliaia di campioni” spiega Cucca che è stato anche direttore dell’Irgb- Cnr dal 2009 fino al 2019. Così è nata la collaborazione per lo studio poi pubblicato su Nature, quasi casualmente durante un meeting nell’ambito del progetto Horizon2020, ImmunoAgeing – coordinato sempre da Cucca e dedicato allo studio dell’immunosenescenza – che ha contribuito al finanziamento del progetto Sardinia-Progenia. “Abbiamo deciso però di concentrarci su circa 400 individui per cui disponevamo di un follow up di 13- 16 anni in media. Per ognuno di essi disponevamo di circa quattro-cinque prelievi del sangue in media, da cui abbiamo estratto il Dna”.

Lo studio

Nel dettaglio i ricercatori hanno studiato quasi 700 cloni di 385 sardi di età pari o superiore a 55 anni seguiti nell’ambito dello studio Sardinia-Progenia. Sono stati sequenziati con altissima copertura 56 geni, per i quali c’era evidenza che fossero implicati nelle ematopoiesi clonale, “per individuare le mutazioni somatiche e distinguerle da quelle ereditarie” precisa l’esperto. In questo modo i ricercatori hanno identificato una serie di mutazioni, che, come riporta lo studio, colpiscono un ristretto insieme di geni che sono anche frequentemente mutati nella leucemia, e sono quelli più comunemente coinvolti nella regolazione epigenetica (DNMT3A, TET2 e ASXL1), nello splicing (SF3B1 e SRSF2) e nell’apoptosi (TP53 e PPM1D). “Abbiamo visto che i cloni tendono ad espandersi costantemente con una velocità che dipende anche dal tipo di mutazione e che dimensioni e numero di mutazioni aumentano con l’età” aggiunge Cucca. “Ci sono però anche cloni che possono partire relativamente presto per poi decelerare negli anziani e altri che tendono a non espandersi. Infine abbiamo identificato alcune mutazioni che correlano con un rischio di tumore delle cellule del sangue”.

Le mutazioni associate

I ricercatori riportano che il 92,4% dei cloni si è espanso a un tasso esponenziale stabile durante il periodo di studio, con alcune mutazioni che hanno guidato tassi di crescita sostanzialmente diversi. A partire da questi dati e grazie a modelli matematici usati per ricostruire la crescita dei cloni nell’arco dell’intera vita, gli esperti hanno scoperto che il loro comportamento cambia radicalmente con l’età a seconda del gene mutato. Per esempio, i cloni mutanti DNMT3A si sono espansi nei soggetti più giovani e hanno mostrato una crescita più lenta in età avanzata. Al contrario, le mutazioni del gene splicing hanno portato a espansione clonale sono negli adulti/anziani con uno dei tassi di crescita più rapidi. Infine i cloni mutanti TET2 sono emersi in modo uniforme nell’arco della vita. Scrivono i ricercatori tirando le somme: “Le mutazioni che guidano una crescita clonale più rapida comportano un rischio maggiore di progressione maligna”.

Lungimiranza

Cucca ricorda anche che le finalità di questo studio erano state previste molti anni addietro. Non si potevano certo immaginare i risultati ma prevedere che una raccolta così lunga di Dna estratto dai campioni di sangue avrebbe fornito molte informazioni utili per l’umanità. “Noi mettevamo da parte il Dna sin dall’inizio pensando che un giorno la tecnologia avrebbe permesso di studiare le mutazioni somatiche non ereditate e di valutarle nel tempo. Esattamente quello che abbiamo fatto con questo lavoro”. LA SARDEGNA IN COPERTINA I successi messi a segno nell’ambito del progetto Sardinia-Progenia però non finiscono qui. Nel novembre 2015 tre lavori derivati da questo filone di ricerca furono pubblicati su Nature Genetics, a firma dei ricercatori dell’Irgb-Cnr di Cagliari, con tanto di copertina ed editoriale correlato (“A new genomic island”). In uno studio (“Genome-wide association analyses based on whole-genome sequencing in Sardinia provide insights into regulation of hemoglobin levels”), i ricercatori hanno identificato 23 varianti in dieci loci, cinque delle quali sconosciute, associate ai livelli di emoglobina fetale (HbF) e emoglobina adulta A1 (HbA1) e A2 (HbA2), con implicazioni cliniche importanti perché tali loci potrebbero agire come modificatori della gravità della malattia nei pazienti con emoglobinopatie. “Abbiamo scoperto geni che aumentano i livelli di emoglobina fetale e che oggi sono un target terapeutico per malattie come la talassemia, per cui probabilmente l’unica soluzione possibile è questa” sottolinea Cucca. In un altro lavoro della stessa serie il team ha studiato l’impatto di diverse varianti sui livelli lipidici circolanti e cinque biomarcatori infiammatori, facendo emergere circa quattro varianti e due nuovi loci genici per i livelli lipidici e diciannove varianti e due nuovi loci genici per marker infiammatori, sinora mai descritti (“Genome sequencing elucidates Sardinian genetic architecture and augments association analyses for lipid and blood inflammatory markers). Infine in una terza ricerca (“Height-reducing variants and selection for short stature in Sardinia”) gli esperti hanno analizzato l’impatto di varianti rare sulla statura di oltre sei mila sardi, individuando un’associazione causale tra la bassa statura comune nella popolazione dell’isola e una variante genetica del Growth Hormone Receptor (Grh) e in un canale del potassio voltage-gated (KCNQ1).

A caccia di varianti geniche

Ancora nel 2017, sempre su Nature Genetics, Cucca e i suoi collaboratori pubblicarono i risultati di uno studio di sequenziamento del Rna condotto su oltre 600 sardi (“Population and individual-specific regulatory variation in Sardinia”). Usando modelli statistici riuscirono a correlare il Rna delle cellule nucleate del sangue con il Dna, identificando migliaia di varianti genetiche in grado di influenzare quantità e sequenze di determinati Rna. Fornendo cosi importanti informazioni sui meccanismi di azione di varianti genetiche in grado di influenzare il rischio di malattie o di altre variabili importanti per la salute, come aveva spiegato Mauro Pala, ricercatore dell’Irgb-Cnr e primo autore del lavoro. “Identificare varianti genetiche indipendenti che influenzano la conta e i livelli di espressione di particolari proteine sulle cellule è il core della nostra ricerca” prosegue Cucca. “Alcune di esse sono target per la terapia perché correlano con malattie, soprattutto autoimmuni”. Aggiunge in sintesi il ricercatore che lo scopo dello studio è proprio identificare correlazioni tra l’espressione di una proteina “X” e i rischi di malattia all’interno della popolazione ogliastrina. Per poi verificare il dato in casistica più ampia che comprenda anche altre popolazioni e un gruppo di controllo. “Quando c’è una correlazione tra proteina e malattia significa che siamo di fronte a un potenziale target terapeutico” afferma l’esperto. “Noi abbiamo condotto una ricerca su una casistica indipendente di persone con malattie autoimmuni come sclerosi multipla, diabete e altre malattie, a confronto con donatori di sangue, scoprendo informazioni interessanti”.

Le malattie autoimmuni

Il ricercatore si riferisce a un altro studio pubblicato sempre su Nature Genetics nel 2020 (“Complex genetic signatures in immune cells underlie autoimmunity and inform therapy”), quando il suo team scoprì 120 nuove e significative associazioni tra varianti genetiche e almeno uno dei 700 parametri immunologici esaminati, aumentando di cinque volte le conoscenze finora esistenti sulla regolazione delle cellule del sistema immunitario. “Circa la metà di queste associazioni si sovrappone perfettamente a quelle con varianti genetiche in grado di modificare il rischio di almeno una malattia autoimmune come sclerosi multipla, lupus eritematoso sistemico, artrite reumatoide, colite ulcerosa, diabete di tipo 1 e malattia di Kawasaki” racconta Cucca. “Si tratta di indizi preziosissimi sulle proteine e i meccanismi effettivamente implicati nello sviluppo di tali patologie autoimmuni, che potrebbero diventare nuovi e importanti bersagli terapeutici”.

Obiettivi futuri

Ora il prossimo passo è espandere il progetto Sardinia-Progenia all’intera popolazione sarda. “Abbiamo un piano ambizioso: creare centri per il controllo della salute in tutta la Sardegna” conclude il ricercatore. “L’obiettivo iniziale è coinvolgere 150 mila persone, quindi un decimo della popolazione sarda, per poi allargare il bacino. Con il fine ultimo di proseguire la ricerca e sviluppo, e identificare nuovi bersagli terapeutici che possano un giorno portare a nuovi farmaci”. Sempre partendo dalla popolazione sarda e in particolare da quella dell’Ogliastra, per poi trovare soluzioni per tutta l’umanità.

Il progetto SardiNIA-ProgeNIA

“Il nostro progetto vedrà coinvolti cinquemila volontari, uomini e donne di ogni età residenti nell’Ogliastra, ai quali faremo interviste ed esami medici molto approfonditi, per riuscire ad identificare le basi genetiche coinvolte nei cambiamenti delle funzioni del nostro organismo propri del processo dell’invecchiamento. Come per esempio quelle cardiovascolari, che col passare degli anni subiscono un rapido e progressivo degrado. Dai nostri studi dipende la possibilità di capire perché alcuni individui trascorrono una vecchiaia serena e con poche malattie, mentre altri in condizioni particolarmente disagiate”. È così che nel 2001 Giuseppe Pilia, per l’Irgb-Cnr di Cagliari, descriveva l’allora nascente Sardinia-Progenia project, che partì grazie a un finanziamento del National institute on aging (Nia) dei National Institutes of Health (Nih) statunitensi e la collaborazione di David Schlessinger, direttore del Laboratorio di Genetica presso la Nia, come principal investigator per la Nia, e il supporto di Antonio Cao, caposcuola degli studi di genetica umana in Sardegna. Più recentemente, l’intero progetto è stato fortemente potenziato da un progetto Horizon2020, ImmunoAgeing, coordinato da Francesco Cucca, attuale coordinatore del progetto per l’Irgb-Cnr (dopo Manuela Uda, succeduta a Pilia in seguito alla sua prematura scomparsa nel 2005) e dedicato allo studio dell’immunosenescenza. Nello studio sono stati coinvolti circa ottomila sardi provenienti da quattro comuni dell’Ogliastra: Lanusei, Ilbono, Arzana ed Elini. Le persone, come racconta Cucca, sono state sottoposte a visite mediche periodiche ripetute in media ogni quattro anni, che in alcuni casi hanno permesso di diagnosticare precocemente malattie importanti. “Si tratta di prelievi del sangue (con rilevazione di alcuni parametri come la conta dei globuli rossi, le transaminasi, ma anche marker tumorali), ecografie degli organi interni, ecocardiogramma, spirometria, densitometria ossea e così via” spiega il ricercatore. “Visite che durano più di due ore e che in alcuni casi hanno salvato la vita dei volontari. Motivo per cui il progetto è molto ben accetto dalla popolazione”. Nella seconda fase della ricerca dopo una genotipizzazione dei soggetti studiati clinicamente, è stato sequenziato l’intero genoma di circa quattro mila partecipanti e in parallelo, in diverse migliaia di soggetti, è stata fatta una valutazione longitudinale di tantissimi parametri clinici (circa 400) correlabili in modo quantitativo a fattori genetici o ambientali (endofenotipi). Presi in esame anche più di 200 tratti dicotomici (si/ no), inclusivi di malattie principali e fattori di rischio come ad esempio il fumo. Il progetto ha inoltre il vantaggio di poter contare, per lo studio delle malattie, sull’intera popolazione sarda, composta da circa 1.500.000 di persone, che può fornire casi e controlli sufficienti per indagare i fattori genetici per un’ampia gamma di condizioni e malattie. “Il progetto Sardinia fa parte di una raccolta crescente di attività di sequenziamento del genoma umano su larga scala” concludono gli autori un editoriale pubblicato su Nature Genetics nel 2015. “Le analisi di questi e dei futuri set di dati senza dubbio approfondiranno la nostra comprensione della biologia e della storia umana e si spera contribuiranno al miglioramento continuo della salute umana. La Sardegna è oggi un’isola di primo piano nella mappa genomica globale”.

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