Esplorando la Proteomica Nucleare con il Progetto PRUNE

Carlos Jimenez, Postdoc nel Bienko Group (Genomica), che ha ottenuto una prestigiosa Marie Skłodowska-Curie Actions Postdoctoral Fellowship dall’Unione Europea, si presenta. Il finanziamento, per un totale di €172.750,08 e della durata di due anni, sosterrà il suo innovativo progetto PRUNE – Uncovering the Proteomic Radial Organisation within the Eukaryotic Nucleus, volto a studiare come la disposizione spaziale delle proteine nucleari contribuisca al corretto funzionamento delle cellule.

Carlos, puoi spiegarci l’obiettivo principale del progetto PRUNE?

Il mio progetto PRUNE nasce dall’idea che l’interno del nucleo cellulare non sia omogeneo, poiché la maggior parte dei suoi componenti (genoma, corpi nucleari, lamina) e delle sue funzioni (trascrizione, splicing, replicazione) non sono distribuiti uniformemente in questo spazio tridimensionale. Uno dei livelli più alti di organizzazione spaziale nucleare è la distinzione tra la periferia e il centro del nucleo: l’organizzazione radiale. Pensiamo che questa dimensione aiuti a creare ambienti distinti, separando fisicamente eventi molecolari incompatibili e ottimizzando la distribuzione delle funzioni. Riteniamo che ciò porti a una distribuzione radiale delle proteine nucleari non casuale, costituendo un livello superiore di regolazione del genoma che influisce su processi vitali come la programmazione dell’espressione genica.

Per testare questa ipotesi, svilupperò un nuovo metodo per mappare la distribuzione radiale di tutte le proteine nucleari, combinando tecnologie di mappatura genomica 3D con analisi proteomiche basate sulla spettrometria di massa. L’obiettivo è individuare tutte le proteine e i processi nucleari organizzati radialmente in diversi modelli biologici di interesse, come cellule staminali in fase di differenziazione verso diverse linee di sviluppo o cellule geneticamente modificate con perturbazioni nell’organizzazione radiale del genoma.

Quali sono le principali fasi di sviluppo del progetto?

Il progetto PRUNE è organizzato in tre fasi principali: Sviluppo della nuova tecnologia (GPSpec); Utilizzo di GPSpec per analizzare l’organizzazione radiale delle proteine in cellule in fase di differenziazione verso diverse linee cellulari; Utilizzo di GPSpec per valutare gli effetti delle perturbazioni radiali indotte mediante ingegneria genomica basata su CRISPR-Cas9.

Chi sono i tuoi collaboratori interni ed esterni per questo progetto?

Per questo progetto, collaborerò con il gruppo Harschnitz presso HT, sfruttando la loro esperienza nei modelli di differenziazione del sistema nervoso (neuroni, astrociti) a partire da cellule staminali pluripotenti in coltura. Sarò anche in stretto contatto con il gruppo Bienko presso il Karolinska Institute/SciLifeLab (Stoccolma), apprendendo dalla loro esperienza nella tecnologia FISH (Fluorescence in situ Hybridisation) per l’imaging dell’organizzazione del genoma. Naturalmente, farò affidamento su diverse Facilities e Unità di HT (Genomica, Proteomica, Light Imaging, Genome Engineering, Citometria a Flusso…).

In che modo PRUNE può migliorare la ricerca sulla salute umana e sulle malattie?

La nostra missione è espandere la conoscenza su come il genoma sia regolato, rispondendo a una domanda finora inesplorata: come interagisce la distribuzione spaziale delle proteine con il genoma per condizionare i programmi di espressione genica? La programmazione dell’espressione genica durante la differenziazione cellulare è uno dei fattori chiave della salute e della malattia, ed è oggetto di studio in diverse discipline come la biologia cellulare, le neuroscienze e la ricerca sul cancro. Il nostro obiettivo è aggiungere un nuovo livello di regolazione del genoma all’intricato puzzle della regolazione dell’espressione genica nelle cellule sane e patologiche. Questo potrebbe rappresentare un passo avanti nella comprensione di come la disregolazione dell’organizzazione spaziale del genoma possa essere alla base di malattie di grande impatto sociale, come il cancro, le malattie neurodegenerative e l’invecchiamento.

Inoltre, svilupperemo il primo test per determinare la distribuzione radiale del proteoma nucleare, uno strumento che consentirà di affrontare domande finora senza risposta per limiti tecnici. Ad esempio, potremo identificare proteine nucleari rilevanti per processi fisiologici o patologici, che finora sono passate inosservate perché la loro distribuzione spaziale non era mai stata considerata.

In che modo questo progetto fa progredire il tuo campo di ricerca?

Nel Functional Genomics Programme del Genomics Research Centre, ci interessa una delle grandi domande della biologia moderna: come viene impostata l’espressione genica in modo specifico per ciascun tipo cellulare? Si sa che molteplici livelli di regolazione influenzano l’espressione genica finale che determina l’identità cellulare, dalla regolazione epigenetica a quella post-traduzionale. Ad esempio, l’accessibilità della cromatina ai fattori di trascrizione è stata ampiamente studiata come determinante regolatorio, ma la distribuzione spaziale di queste proteine all’interno del nucleo non è mai stata analizzata sistematicamente. Il nostro progetto punta ad aggiungere un livello di regolazione finora inesplorato: l’organizzazione spaziale delle proteine nucleari, contribuendo così alla comprensione della regolazione genomica.

Cosa ti entusiasma di più di questo progetto?

Questa fellowship mi permetterà di sviluppare un progetto di ricerca ambizioso, rappresentando per me un’opportunità per esplorare nuove direzioni e ampliare il mio percorso scientifico. Avere la validazione e il supporto di un programma di finanziamento di questo livello è per me una grande motivazione per portarlo a termine con successo. L’aspetto che mi entusiasma di più è che non ci limiteremo a usare tecnologie all’avanguardia già esistenti, ma andremo oltre, sviluppando nuovi strumenti, una sfida impegnativa ma estremamente stimolante per la mia carriera.

Quali sono le principali sfide e come pensi di superarle?

La grande sfida di questo lavoro è lo sviluppo di una nuova tecnologia per la profilazione radiale del proteoma nucleare. Infatti, mi dedicherò interamente a questo passaggio fondamentale per tutto il primo anno della fellowship. Tuttavia, la mia precedente formazione nel Bienko Group, unita alla loro esperienza nello sviluppo di tecnologie per la mappatura spaziale del genoma, aumenterà le probabilità di successo in questo step cruciale.

Cosa ti ha ispirato a intraprendere questa ricerca?

Fin dall’inizio del mio dottorato, sono stato affascinato da come le cellule orchestrino l’espressione di migliaia di geni per garantire la propria identità e prevenire malattie. Trovo incredibile come un controllo così delicato dell’espressione genica emerga da un apparente caos di biomolecole avvolte nella cromatina. Credo che guardare all’organizzazione spaziale di questo caos possa finalmente dare un senso e una logica a questi processi.

Finanziato dall’Unione Europea (Horizon Europe MSCA PRUNE, GA n. 101152805). Le opinioni espresse sono esclusivamente quelle dell’autore e non riflettono necessariamente quelle dell’Unione Europea o della European Research Executive Agency, che non possono essere ritenute responsabili.