Laboratorio di neuroepigenetica

 

Descrizione generale

Il nostro laboratorio è interessato allo studio dei meccanismi molecolari che regolano l’espressione genica di cellule neuronali determinandone fenotipo e funzione. Dalla fisiologia del singolo neurone dipende la funzionalità dei circuiti neuronali e a loro volta, i circuiti neuronali controllano i comportamenti più complessi. Questi comportamenti hanno una forte componente cognitivo-emotiva, sulla quale l’ambiente e le esperienze giocano un ruolo particolarmente importante. A questo riguardo, l’enzima epigenetico LSD1 alla cui scoperta e caratterizzazione il nostro laboratorio ha contribuito, rappresenta un esempio unico in grado di modulare la sua attività in risposta agli stimoli ambientale -e quindi alle esperienze- favorendo il processo di adattamento.

Molto del nostro interesse è oggi diretto alla comprensione dei meccanismi di splicing alternativo quali modulatori principali della funzione di LSD1. Nei mammiferi abbiamo identificato un’isoforma neurospecifica di LSD1, neuroLSD1, che si differenzia da LSD1 per soli 4 amminoacidi codificati dall’esone E8a. NeuroLSD1 opponendosi all’azione di LSD1, funziona come dominante negativo. LSD1 e neuroLSD1 regolano la plasticità neuronale modulando la struttura della cromatina di molteplici geni tra i quali gli Immediate Early Genes (IEGs). Nei neuroni grazie allo splicing, abbiamo osservato che LSD1 è in grado di modulare la sua attività durante le fasi postnatali dello sviluppo e nel corso dell’invecchiamento, ma anche in risposta a specifici stimoli ambientali quali lo stress. Inoltre, abbiamo evidenziato splicing aberrante di LSD1 in condizioni patologiche quali l’epilessia e disordini psichiatrici. La modulazione nel cervello dei livelli di LSD1 mediante splicing rappresenta pertanto non soltanto un possibile processo patogenetico, ma anche un nuovo target farmacologico da esplorare.

 

Biologia del gene LSD1

Il gruppo ha partecipato alla scoperta di LSD1, la prima istone demetilasi flavina-dipendente. Tale enzima rappresenta un’importante componente di un complesso di corepressione trascrizionale ubiquitario di cui fanno anche parte CoREST e le istone-deacetilasi HDAC1/2. LSD1 è molto studiata nell’ambito dei tumori in cui è spesso overespressa, per cui rappresenta un importante target farmacologico. Nel nostro laboratorio, la scoperta di un’isoforma neurospecifica di questo enzima (neuroLSD1) ha promosso il suo studio nell’ambito del cervello. Attraverso la modulazione trascrizionale dei geni sinaptici e legati alla plasticità neuronale, il sistema duale LSD1-neuroLSD1 rappresenta uno strumento unico in grado di modificare l'epigenoma cerebrale dei mammiferi in risposta all'attività neuronale. Il gruppo ha anche sviluppato un modello murino caratterizzato da un aberrante comportamento ansioso (Rusconi et al., 2015), che rappresenta un nuovo e potente modello per studiare gli effetti dell'ambiente sull'epigenoma insieme ai loro esiti comportamentali (pubblicato in PNAS e TINS Rusconi et al., 2016 e 2017). Inoltre è stato osservato che l'attività epigenetica di LSD1 può essere modificata in vivo in risposta all'esperienza e in vitro in risposta alla stimolazione glutammatergica. Pertanto, LSD1 e neuroLSD1 partecipano a quei meccanismi epigenetici che traducono gli effetti di diversi fattori ambientali tra cui stress ed invecchiamento nella modifica della trascrizione dei geni della memoria nel cervello dei mammiferi.

LSD1 regola principalmente il comparto neuronale eccitatorio, nell’ambito del quale il nostro gruppo lo ha caratterizzato come regolatore negativo della plasticità sinaptica e del consolidamento della memoria (Longaretti et al., 2020a). Il principale meccanismo alla base di questa regolazione si basa sulla repressione trascrizionale degli IEGs, processo che si oppone alle modifiche morfo-funzionali dei neuroni necessarie a creare e rafforzare nuove connessioni sinaptiche. In ogni caso, LSD1 è anche coinvolta nella regolazione del sistema degli endocannabinoidi (Longaretti et al., 2020b) e regola positivamente un sistema neuronale omeostatico basato sulla proteina di adesione PCDH19 (Gerosa et al., 2022). E’ interessante notare come mutazioni nel gene codificante per questa proteina esordiscano in un disordine epilettico del neurosviluppo, la Developmental and Epileptic Encephalopaty-9 (DEE-9).

LINEE DI RICERCA

Implicazioni nei disordini del neurosviluppo

Recentemente si è scoperto come alcune patologie neurologiche monogeniche con fenotipi epilettici, siano causate da mutazioni in geni codificanti enzimi modificatori della cromatina. In particolare, mutazioni di demetilasi specifiche per residui di lisina delle code istoniche come KDM5C, KDM6A o KDM6B causano sindromi neurologiche caratterizzate da crisi epilettiche, disabilità intellettiva e derive del comportamento note rispettivamente come sindrome di Claes-Jensen, sindrome di Kabuki e la sindrome di Nedcfsa. Queste scoperte supportano fortemente l’importanza di una corretta metilazione degli istoni per un appropriato sviluppo del sistema nervoso oltre che per una fisiologica regolazione dell’eccitabilità neuronale. Non stupisce pertanto che recentemente siano state descritte le prime (sebbene molto rare) mutazioni nel gene di LSD1/KDM1A associate ad un nuovo disordine del neurosviluppo chiamato Cleft Palate with psychomotor retardation with distinctive facial features (CPRF, OMIM#616728) che il nostro laboratorio ha contribuito a caratterizzare dal punto di vista biochimico e strutturale (Pilotto et al., 2016).

In aggiunta a specifiche mutazioni del gene LSD1/KDM1A, siamo interessati a comprendere come e se alterazioni del livello di LSD1 nel cervello possano modificare noti fenotipi patologici. Infatti:

1- in almeno due patologie neurologiche monogeniche caratterizzate da alterata eccitabilità neuronale, quali da Sindrome di Rett (OMIM#312750) (Rusconi et al., 2015) e la Developmental and Epileptic Encephalopathy (DEE9) (OMIM#300088) (Gerosa et al., 2022), i livelli di espressione di LSD1 in diverse aree cerebrali sono diminuiti.

2- LSD1 svolge un ruolo quale protettore dei circuiti ippocampali da ipereccitabilità indotta farmacologicamente in modelli preclinici (Rusconi et al., 2015).

• Approfondire i meccanismi epigenetico/trascrizionali orchestrati da LSD1 nel modulare l’eccitabilità neuronale e disegnare nuove strategie terapeutiche per normalizzare l’attività di LSD1 nel cervello, sono tra i principali progetti in corso.

Implicazioni nelle patologie psichiatriche

Uno dei risultati più interessanti recentemente ottenuti nel nostro laboratorio mostra come aumentati livelli di LSD1 nel cervello di mammifero (modello genetico knockout per neuroLSD1) correlino con una sensibile diminuzione del profilo ansioso (Rusconi et al., 2016). Questo particolare fenotipo comportamentale si accompagna ad evidenti difetti del consolidamento della memoria. Inoltre, ulteriori studi da noi condotti mostrano come eventi ambientali traumatici richiamino quale “risposta allo stress” a livello ippocampale e frontotemporale proprio un significativo aumento del livello di LSD1.

In questo contesto si aprono scenari interessanti per quanto riguarda i correlati mnemonici delle malattie psichiatriche. Siamo pertanto interessati a studiare:

1) se e come LSD1 possa mediare una particolare tipologia di apprendimento e consolidamento delle memorie “traumatiche” in una specifica “finestra temporale” che segue un evento stressante

2) se LSD1 possa “proteggere” i circuiti eccitatori non solo da eventi di ipereccitabilità ma anche dalla “vulnerabilità” allo stress ambientale

3) se nell’ambito di alcune forme psicopatologiche tra cui le sindromi post-traumatiche e i disturbi evitanti di personalità, entrambi definibili come “patologie della memoria”, alterazioni nella regolazione di LSD1 possano concorrere alla deriva comportamentale ed eventualmente rappresentare un interessante target farmacologico per modificare la traiettoria patologica.

• Le nostre inerenti linee di ricerca mirano a comprendere i meccanismi epigenetici della risposta allo stress nell'ippocampo e come la loro funzione sia protettiva o favorisca l'insorgenza di disturbi psichiatrici legati allo stress/trauma negli individui vulnerabili. Un ulteriore aspetto che stiamo indagando, è il contributo di varianti geniche in regioni regolatorie del gene LSD1/KDM1A che possano contribuire alla diversità interindividuale nella suscettibilità allo stress.

Progetti Finanziati

• Fondazione Telethon GGP20016 (2021-2024)
• Competitive Research Grants (CRG) from KAUST 2020-2023
• Seed Seal of Excellence (UNIMI) 2020
• PSR 2019
• Progetto Fondazione Cariplo 2016-0908 (2017-2022)
• Progetto Giovani Fondazione Cariplo 2014-0972 (2015-2018)
• Fondazione Telethon GGP14072 (2015-2018)
• Progetto Bandiera CNR-EPIGEN (2012-2019)
• Progetto Fondazione Cariplo (2009-2012)
• PRIN 2009-2011
• PRIN 2004-2006
• PRIN 2006-2008.
• PUR 2009
• Fondazione Telethon GGP07078, 2007-2009.
• MINISTERO DEGLI ESTERI (MAE), JOINT MOBILITY PROJECTS FOR THE EXCHANGE OF RESEARCHERS 2008-2010 

 

Composizione del gruppo di ricerca

Composizione del gruppo: Elena Battaglioli (professore ordinario BIO/13), Francesco Rusconi (RTD-B BIO/13), Emanuela Toffolo (Tecnico), Chiara Forastieri (assegnista di ricerca), Elena Romito (studentessa di dottorato).

In laboratorio sono abitualmente ospitati tirocinanti del corso di laurea triennale in Biotecnologie Mediche e magistrale in Biotecnologie Mediche e Medicina Molecolare.

 

Contatto

Elena Battaglioli (E-mail: elena.battaglioli@unimi.it)

Francesco Rusconi (E-mail: francesco.rusconi@unimi.it)

Telefono: 0250330469-0250330445

 

Ubicazione

LITA, Via F.lli Cervi 93, 20090 Segrate, Milano