Mappe genomiche: navigando il nucleo cellulare con GPSeq

I ricercatori di Human Technopole hanno sviluppato un nuovo metodo per mappare l’organizzazione tridimensionale del nucleo delle cellule eucariote attraverso l’analisi della distribuzione radiale del genoma dalla periferia nucleare al suo centro. Il protocollo sperimentale è pubblicato in Nature Protocols ed è stato selezionato per la copertina del giornale.

Immaginate di visitare una grande città dove si trova un famoso edificio. Volete vederlo, ma non ne conoscete la posizione esatta. Le indicazioni che avete a disposizione si basano su altri punti di riferimento, la cui posizione vi è altrettanto sconosciuta. Esplorare questa città all’improvviso vi sembra come attraversare un oscuro e intricato labirinto. Chiaramente, vi serve una mappa.

Anche il genoma delle cellule eucariote può essere un labirinto complicato per coloro che non sono familiari con il suo ambiente: geni, elementi regolatori, regioni non codificanti, modifiche (epi)genetiche e polimorfismi a singolo nucleotide (SNPs) sono tutti incastrati in un piccolo compartimento cellulare specializzato chiamato nucleo. Questa caratteristica importante distingue le cellule eucariote dalle più primitive cellule procariote anucleate.

Il compartimento nucleare custodisce le informazioni genetiche della cellula sottoforma di cromatina, che consiste in DNA avvolto intorno a proteine strutturali chiamate istoni. Tuttavia, il nucleo non è solo un magazzino per il genoma eucariotico, ma anche il posto dove si svolgono processi biologici fondamentali, come la replicazione, la trascrizione e la riparazione del DNA.

Da tempo, si pensa che la localizzazione nucleare di diverse parti del genoma sia collegata alle loro funzioni. Infatti, il genoma non è organizzato casualmente all’interno del nucleo. Studi precedenti hanno dimostrato che la molecola di DNA lunga due metri all’interno di ogni cellula diploide umana è ripiegata efficacemente per entrare in un piccolo spazio dal diametro 100,000 volte più piccolo della lunghezza dell’intero genoma: compartimenti di cromatina più grandi contengono elementi strutturali più piccoli, come i domini associati topologicamente o TADs, che a loro volta contengono unità minori dove interagiscono elementi regolatori dell’espressione genica, come i loop cromatinici. Tuttavia, non è ancora chiaro come queste caratteristiche strutturali siano posizionate nello spazio in relazione tra di loro, né se e in quale modo l’organizzazione del genoma nel nucleo influenzi le sue funzioni.

Il gruppo di ricerca di Magda Bienko a Human Technopole ha colmato questa lacuna sviluppando un nuovo metodo, chiamato Genomic loci Positioning by Sequencing (GPSeq), specificamente ideato per mappare come il genoma sia posizionato, in media, tra la periferia e il centro del nucleo cellulare—una caratteristica nota come ‘radialità del genoma’.

GPSeq può essere eseguito in qualsiasi laboratorio con competenze intermedie in biologia molecolare, genomica e microscopia. In breve, le cellule di interesse vengono trattate per permettere l’entrata di proteine speciali chiamate enzimi di restrizione, i quali riconoscono e tagliano (o digeriscono) specifiche sequenze di DNA che si trovano con alta frequenza nel genoma. Questi enzimi entrano nei nuclei cellulari dalla periferia e si diffondono gradualmente verso il centro. Di conseguenza, il DNA viene progressivamente tagliato dallo strato più esterno del nucleo a quello più interno. Fermando la reazione dopo intervalli di tempo crescenti, è possibile ottenere istantanee della progressiva digestione radiale del DNA.

Dopo ciascun arco di tempo, il DNA tagliato viene legato a marcatori speciali che ne permettono la visualizzazione attraverso un microscopio per controllarne la qualità, e, se confermata, l’amplificazione e il sequenziamento. Ciascuna sequenza di DNA riceve poi un punteggio GPSeq che ne rappresenta la radialità genomica, in base alla quale vengono generate mappe radiali dell’intero genoma.

Combinando le risultanti mappe genomiche con dati ricavati da altre tecnologie omiche, è possibile esplorare la distribuzione radiale di varie proprietà del genoma, da livelli di espressione genica e modifiche (epi)genomiche a hotspot di mutazione e profili di danno al DNA.

Questo metodo può essere applicato a qualsiasi cellula eucariote di interesse, permettendo così lo studio dell’architettura del genoma non solo in numerosi sistemi viventi, ma anche con un approccio multiscala che attraversa diversi livelli biologici dalle cellule agli organi a interi individui. La versatilità di GPSeq evidenzia il suo potenziale di contribuire a identificare differenze e somiglianze chiave tra molteplici tipi cellulari, così come in condizioni fisiologiche e patologiche.

Nicola Crosetto, Senior Manager del Centro di Ricerca per la Genomica – Genomica Funzionale e co-autore corrispondente di questo lavoro, afferma: “GPSeq è un approccio potente che complementa il metodo Hi-C ampiamente utilizzato per mappare l’architettura tridimensionale del genoma. Con il nostro nuovo protocollo, ora i ricercatori possono facilmente implementare GPSeq nei loro laboratori e sfruttarlo per ottenere mappe della radialità del genoma ad alta risoluzione in diversi tipi di cellule e varie condizioni sperimentali.”

Con ulteriori aggiornamenti ancora più avanzati in arrivo, le mappe del genoma generate con GPSeq permettono ai ricercatori di navigare il genoma eucariotico con un migliore orientamento—proprio come le mappe geografiche ci aiutano ogni giorno a trovare la nostra destinazione.

Yip WH, Harton K, Castiglioni I, Bouwman BAM, Jiménez C, Georgiades E, Harbers L, Kang W, Wernersson E, Crosetto N, Bienko M. GPSeq maps the radial organization of eukaryotic genomes along the nuclear periphery-center axis. Nat Protoc. 2026 May;21(5):2199-2270. doi: 10.1038/s41596-025-01278-x. Epub 2026 Jan 19. PMID: 41555070.