Dentro il sistema di controllo dell’RNA della cellula con il progetto RNAhome

Fabio Marcuccio si presenta: postdoctoral fellow nel Legnini Group (Genomics Research Centre, Functional Genomics Programme), ha ottenuto una prestigiosa Marie Skłodowska-Curie Actions Postdoctoral Fellowship per il progetto “Regulation of mRNA homeostasis by poly(A) binding proteins”. Il finanziamento di 193.643,28 € sosterrà un programma di ricerca di 24 mesi volto a chiarire come le cellule mantengano stabili i livelli di RNA messaggero (mRNA) nonostante i continui cambiamenti dell’ambiente.

Combinando ingegneria genetica, imaging avanzato, approcci molecolari e biofisici e modellizzazione matematica, il progetto indagherà se le proteine leganti la coda poli(A) agiscano come un “sensore” interno che consente alle cellule di misurare e regolare finemente la produzione e la degradazione dell’mRNA. Questo lavoro fondamentale mira a risolvere una questione aperta da tempo nella regolazione genica, con potenziali implicazioni a lungo termine per la comprensione dei meccanismi di malattia e delle terapie basate sull’RNA, inclusi i vaccini a mRNA.

Fabio, puoi spiegare l’obiettivo principale del progetto?

L’RNA messaggero (mRNA) è una molecola centrale per tutte le forme di vita. Funziona come un insieme di istruzioni che indica alla cellula come produrre le proteine necessarie alla sopravvivenza e al corretto funzionamento. Affinché ciò avvenga, le cellule devono mantenere costanti i livelli di mRNA. Ciò che sorprende è la capacità delle cellule di mantenere questo equilibrio anche quando le condizioni cambiano. Se viene prodotto più mRNA, la cellula lo degrada più rapidamente; se ne viene prodotto meno, la degradazione rallenta. Questo meccanismo è chiamato buffering dell’mRNA. È fondamentale, ma non comprendiamo ancora come le cellule riescano a coordinare produzione e degradazione per mantenere livelli corretti.

Il mio progetto mira a capire se le cellule utilizzino un “sensore” interno per monitorare i livelli di mRNA e mantenerli costanti. Questo sensore funzionerebbe in modo simile a un termostato domestico, che misura la temperatura e regola riscaldamento o raffreddamento per mantenerla stabile. Abbiamo identificato candidati promettenti per questo ruolo: le proteine leganti la coda poli(A). Queste proteine si legano a ogni molecola di mRNA e riteniamo possano permettere alla cellula di misurare la quantità di mRNA presente e di regolarne di conseguenza produzione o degradazione.

Per testare questa ipotesi, modificherò geneticamente le cellule per alterare l’abbondanza di queste proteine. Combinerò poi imaging avanzato con altri approcci molecolari e biofisici per misurare i cambiamenti nella produzione e nella degradazione dell’mRNA. Infine, utilizzerò i dati sperimentali per costruire modelli matematici che descrivano il funzionamento del sistema, permettendoci di confermare l’ipotesi o generare nuove previsioni.

Quali sono le principali fasi di sviluppo del progetto?

Il progetto RNAhome è suddiviso in tre principali work package:

• generazione di modelli cellulari con diversa abbondanza delle proteine “sensore”;
• utilizzo di microscopia avanzata e metodi biofisici per misurare come cambiano produzione e degradazione dell’RNA al variare dell’abbondanza di questi “sensori”;
• sviluppo di un modello matematico per descrivere questo sistema dinamico.

Mi aspetto di ottenere i primi risultati entro il primo anno della fellowship, una volta stabiliti i modelli cellulari e completati i primi esperimenti di imaging. Questi risultati preliminari forniranno indicazioni importanti, che verranno poi validate e ampliate con tecniche complementari durante il secondo anno. Nelle fasi finali, la modellizzazione matematica integrerà tutti i parametri misurati, aiutandoci a interpretare i dati e a costruire una descrizione coerente di questo sistema complesso e dinamico.

Chi sono i tuoi collaboratori nel progetto?

Nessun progetto può essere portato avanti da soli e la natura altamente multidisciplinare di RNAhome si baserà fortemente sulle collaborazioni. Quelle all’interno del gruppo Legnini, il mio gruppo ospitante, saranno essenziali. Il gruppo riunisce ricercatori con competenze diverse e il progetto beneficerà di questo ambiente collaborativo, in cui idee, competenze e conoscenze vengono continuamente condivise e sviluppate.

Il progetto si avvarrà inoltre di collaborazioni con diversi gruppi e piattaforme di Human Technopole. La Piattaforma Nazionale per la Gestione e l’Analisi dei Dati mi aiuterà a sviluppare le pipeline per l’analisi delle immagini di microscopia. L’Unità di Biofisica fornirà competenze tecniche per eseguire esperimenti necessari a estrarre parametri cinetici fondamentali per il modello. La Piattaforma Nazionale di Editing Genomico e Modelli di Malattia metterà a disposizione i modelli cellulari necessari.

Quale impatto speri di ottenere con questo progetto?

Con questa fellowship, il mio obiettivo è chiarire un meccanismo chiave della regolazione dell’espressione genica, un problema irrisolto da decenni, la cui soluzione aprirà numerose nuove linee di ricerca e migliorerà la nostra comprensione dei meccanismi di malattia, con importanti implicazioni terapeutiche, come i vaccini a mRNA, che dipendono da una profonda comprensione della stabilità dell’mRNA per garantirne efficacia e sicurezza.

RNAhome è un progetto di ricerca di base e il suo impatto sulla salute umana non sarà immediato. Tuttavia, la storia dimostra che le grandi scoperte nascono spesso dalla scienza di base guidata dalla curiosità. La pandemia di COVID-19 ha chiaramente mostrato come decenni di ricerca fondamentale abbiano permesso lo sviluppo rapido dei vaccini a mRNA di fronte a una sfida globale urgente. Per molti anni, gli scienziati hanno studiato l’RNA semplicemente per capire come funzionano le cellule. Questa conoscenza di base si è rivelata essenziale per tecnologie rivoluzionarie basate sull’RNA. Allo stesso modo, RNAhome mira a scoprire principi della regolazione dell’RNA che potrebbero costituire le fondamenta per futuri progressi nelle terapie a base di RNA e migliorare trattamenti esistenti.

In che modo questo progetto fa avanzare la ricerca sull’RNA?

Come parte del Functional Genomics Programme del Genomics Research Centre, ci poniamo una grande domanda: come viene regolato il metabolismo dell’RNA all’interno di una cellula? L’RNA viene continuamente prodotto, modificato, trasportato e degradato, e le velocità di questi processi ne determinano la stabilità. Comprendere i fattori chiave che regolano questa stabilità è centrale per capire la regolazione genica.

RNAhome contribuirà a questo campo chiarendo come produzione dell’RNA nel nucleo e degradazione nel citoplasma siano coordinate. Comprendere questo accoppiamento aggiungerà un nuovo livello di controllo della regolazione genica e mostrerà come le cellule mantengano il giusto equilibrio di RNA per funzionare correttamente.

Sei entusiasta di questa fellowship?

Sono molto entusiasta perché, per la prima volta nella mia carriera, gestirò un budget di ricerca autonomo, un primo passo verso l’indipendenza scientifica. Ancora più stimolante è il fatto che una parte significativa della fellowship sosterrà la mia formazione personale, permettendomi di partecipare a conferenze, workshop e altre opportunità di apprendimento. Ho sempre creduto che imparare qualcosa di nuovo ogni giorno sia l’aspetto migliore di questo lavoro, e questa fellowship rafforza questa esperienza puntando sulla crescita personale, lo sviluppo di competenze e la possibilità di modellare il mio percorso di ricerca. Dopotutto, chi non sarebbe entusiasta di essere pagato per imparare qualcosa di nuovo ogni giorno?

Quali sono le principali sfide e come pensi di affrontarle?

Lavorare su progetti ambiziosi non è mai un percorso lineare. È un cammino tortuoso, pieno di sfide, risultati inattesi e ipotesi che cambiano. Il modo migliore per affrontarlo è accettare il percorso e godersi il processo. Il mio piano è lavorare sodo, fare del mio meglio e attingere all’esperienza dei colleghi, dei collaboratori e delle straordinarie infrastrutture dell’istituto. Con così tanti strumenti e menti brillanti intorno a me, spero di trasformare gli ostacoli in opportunità di apprendimento.

In che modo questo progetto si basa sul tuo lavoro precedente?

Questa ricerca nasce da un interesse di lunga data per la comprensione delle dinamiche dell’RNA a livello di singola cellula. Il campo ha fatto enormi progressi negli ultimi decenni, ma molte domande fondamentali restano aperte e richiedono nuove tecnologie e idee concettuali innovative.

Il mio lavoro precedente era incentrato sullo sviluppo di nuovi strumenti, ma desideravo approfondire la scienza fondamentale della regolazione dell’RNA. È così che ho iniziato a lavorare con il mio attuale supervisore. L’ideazione di questo progetto è stata un processo profondamente creativo: nei miei primi mesi all’istituto ho trascorso ore a leggere e fare brainstorming con il mio supervisore, proponendo idee, mettendole in discussione, smontandole e ricostruendole fino a trovarne una che entusiasmasse entrambi. Questo processo collaborativo è stato estremamente stimolante e ha rafforzato la mia convinzione che la scienza progredisca meglio attraverso il dialogo aperto e il pensiero condiviso. Come sostengono Itai Yanai e Martin Lercher, “per pensare servono due persone”, un principio che dovrebbe essere abbracciato più spesso nella scienza e non solo.

Cosa ti ha ispirato a intraprendere questa direzione di ricerca?

Sono un ingegnere biomedico di formazione e sono sempre stato affascinato dalle tecnologie bio-ispirate. I progetti della natura sono incredibilmente funzionali, mentre i nostri tentativi di imitarli sono spesso imperfetti. Durante il dottorato ho sviluppato approcci di microscopia per il sequenziamento dell’RNA a singola cellula, entrando così nel mondo dell’RNA. Mi sono interessato a come le cellule tumorali possano modificare e riprogrammare l’espressione genica per adattarsi e sopravvivere alle terapie, e ho lavorato allo sviluppo di tecnologie per studiare questo comportamento. Con il tempo ho capito che molti strumenti e concetti dell’ingegneria possono essere applicati a domande biologiche fondamentali. Ad esempio, i meccanismi di feedback che riteniamo le cellule utilizzino per regolare i livelli di RNA sono analoghi, sia concettualmente sia matematicamente, ai regolatori di tensione a feedback negativo in elettronica. Ho anche imparato che le scoperte più trasformative nascono spesso dalla ricerca fondamentale guidata dalla curiosità. Questa fellowship mi permetterà di portare avanti un progetto fondamentale e, si spera, di dare a un ingegnere gli strumenti per sopravvivere (e persino prosperare!) in un istituto di ricerca biologica.

Finanziato dall’Unione Europea (Horizon Europe MSCA RNAhome, GA n. 101207176). Le opinioni espresse sono esclusivamente quelle degli autori e non riflettono necessariamente quelle dell’Unione Europea o della European Research Executive Agency. Né l’Unione Europea né l’autorità concedente possono essere ritenute responsabili.