Instabilità genomica e cancro: svolta nella comprensione dei processi cellulari

Uno studio internazionale condotto tra Milano, Parigi e Santa Fe da un piccolo team di ricercatori italiani con metodi di data science scardina un paradigma ormai sedimentato che vedeva alcuni processi del ciclo cellulare avvenire in modo strettamente sequenziale, rivelando invece una “bolla temporale” di attesa. La bolla temporale non è inutile: il ciclo cellulare opererebbe secondo una modalità assimilabile al just in time delle catene produttive, pertanto l’attesa servirebbe per riallineare diversi processi garantendone il corretto coordinamento. La ricerca, raccontata sulla rivista scientifica Science Advances, segna una svolta nella comprensione dei processi cellulari, che potrebbe in prospettiva contribuire ad indicare nuove vie di indagine per tumori e altre patologie da instabilità genomica

Milano, 8 novembre 2018 – In ogni ciclo cellulare si devono coordinare all’interno della cellula il processo di copia e segregazione del suo corredo genetico e la decisione di dividersi. Una mancata sincronizzazione spazio-temporale di questi processi porta a un corredo genetico erroneo nelle cellule figlie e quindi a situazioni patologiche, come per esempio instabilità genomica e cancro.

Il paradigma classico del ciclo cellulare così come l’abbiamo studiato sui libri di scuola interpreta la pianificazione del ciclo del cromosoma e della divisione come un processo sequenziale in cui sottoprocessi quali la copia del genoma e la sua segregazione devono avvenire uno dopo l’altro, come in una catena di montaggio.

Grazie ad un originale approccio quantitativo che si avvale dell’applicazione di metodi di data science e di fisica statistica ai fenomeni biologici, un team di quattro ricercatori italiani dell’Istituto FIRC di Oncologia Molecolare e dell’Università degli Studi di Milano e di Torino, in collaborazione con l’ETH di Zurigo, la Sorbonne di Parigi e lo statunitense Santa Fe Institute hanno tracciato dinamicamente le “decisioni” individuali di migliaia di cellule, assemblando per la prima volta diversi set di dati.

Il coordinamento tra ciclo del cromosoma e divisione cellulare è stato osservato dai ricercatori nel batterio Escherichia coli combinando modelli matematici e una sofisticata analisi di tutte le correlazioni osservabili nei dati. La conclusione mette in discussione il paradigma classico: la divisione cellulare non avviene necessariamente in modo sequenziale rispetto ai processi legati al cromosoma, ma può verificarsi una “bolla temporale” in cui il cromosoma è pronto per la divisione ma la cellula aspetta ancora.

“Si tratta di un’analisi complessa – commenta Marco Cosentino Lagomarsino, responsabile del laboratorio di fisica statistica di cellule e genomi dell’IFOM e docente dell’Università degli Studi di Milano, tornato in Italia dopo un lungo periodo a Parigi. “Il ciclo cellulare – come una catena di montaggio – prevede diversi tempi di completamento di ogni fase della produzione, ma queste fasi hanno rapporti molto intricati tra loro, ed è molto difficile inferire i “processi produttivi” dai dati. Solo grazie alle metodiche della data science siamo stati in grado di sbloccare il problema”.

Ma a cosa serve la bolla temporale osservata dagli scienziati? “I dati che emergono dallo studio – spiegano gli autori – indicano che la bolla sia di fatto una fase funzionale piuttosto che un tempo morto, e che sia dovuta a un processo di preparazione alla divisione che avviene in parallelo a quello del cromosoma e che in alcune cellule – circa metà – può essere più lento, per cui la cellula deve attendere il suo completamento”.

“Quello che abbiamo osservato seguendo le cellule una a una – prosegue Gabriele Micali dell’ETH di Zurigo – è di fatto un processo assimilabile alla filosofia produttiva del ‘Just in time’, ovvero un processo in cui i tempi di arrivo dei diversi materiali sulla linea produttiva viene coordinato col momento in cui debbono essere utilizzati, e il tempo di arrivo più lungo determina l’effettiva velocità con cui procede la linea”

Un cambio di cornice concettuale che fa rileggere in una prospettiva inedita questo passaggio cruciale del ciclo cellulare, che sarà interessante verificare in cellule eucariote, più complesse, per arrivare a linee cellulari umane.
Qual è il “dispositivo” che si occupa di questo coordinamento dei processi? Questa è una tra le domande che sorgono spontanee e di cui gli stessi ricercatori si stanno occupando al momento.

“Le risposte – conclude Cosentino Lagomarsino – potrebbero in linea di principio fornire preziose indicazioni per tutte le situazioni patologiche in cui il coordinamento tra il ciclo di divisione e quello del cromosoma viene perturbato”.

Lo studio condotto da Marco Cosentino Lagomarsino e dai suoi colleghi è stato possibile soprattutto grazie al sostegno dello Human Frontiers Science Program.