Nel metabolismo cellulare la formazione di ATP avviene attraverso due vie principali: la fermentazione e la respirazione. La regolazione delle due vie determina un¿intensa riprogrammazione genica e alterazioni in questi processi si riscontrano in malattie come cancro, diabete e sindromi neurodegenerative. La respirazione cellulare avviene grazie ad una precisa comunicazione tra nucleo e mitocondrio ed è regolata anche da meccanismi epigenetici. Il lievito S. cerevisiae è un ottimo modello per lo studio del metabolismo. In questo organismo la scelta tra respirazione e fermentazione può essere modulata variando la fonte di carbonio presente nel terreno di crescita, permettendo così l¿analisi di mutazioni che nell'uomo determinano fenotipi respiratori gravi o letali. In questo progetto ci proponiamo di studiare il ruolo del complesso modificatore della cromatina SAGA e del suo dominio di deubiquitinazione nei processi legati alla respirazione cellulare e alla funzionalità mitocondriale. Il progetto ha lo scopo di ampliare le conoscenze relative alla regolazione genica e post traduzionale dei processi metabolici, come base per lo studio di malattie legate ad alterazioni nel metabolismo cellulare.
Il mitocondrio ha un ruolo centrale nell'omeostasi cellulare e cambiamenti nelle sue funzioni innescano risposte di stress e riprogrammazione trascrizionale del genoma nucleare. Alterazioni nelle vie metaboliche che interessano i mitocondri si riscontrano in patologie come diabete, cancro e malattie neurodegenerative. In più, mutazioni nei geni mitocondriali sono causa di un'ampia gamma di patologie muscolari e degenerative per le quali non esistono attualmente cure efficaci. Le caratteristiche di insorgenza e trasmissione delle malattie mitocondriali fanno del lievito un ottimo organismo modello.
Esplorare il collegamento tra regolazione epigenetica e metabolismo è di grande interesse nella comprensione di diverse malattie i cui meccanismi non sono stati chiariti completamente. Poco si sa, ad esempio, sul ruolo di modificatori come le deubiquitinasi nel mitocondrio. In lievito soltanto la DUB Ubp16 è stata caratterizzata come proteina della membrana esterna dei mitocondri, ma la sua funzione non è stata ancora compresa [1]. Nell'uomo, sono state identificate tre DUB mitocondriali e il loro ruolo appare associato alla mitofagia. Queste proteine interagiscono con la parkina, il cui gene risulta mutato nella maggioranza dei pazienti affetti dal morbo di Parkinson [2].
Per quanto riguarda il cancro, le alterazioni trascrizionali e post-trascrizionali che interessano le cellule tumorali comportano spesso cambiamenti nello stato di acetilazione ed ubiquitinazione delle proteine [3] [4], con conseguente alterazione dei livelli di espressione di oncosoppressori e proto oncogeni. In più, le cellule cancerose presentano alterazioni sostanziali nei pathway metabolici.
Per queste ragioni lo studio delle vie di regolazione metaboliche ed epigenetiche è di fondamentale rilevanza scientifica. Con questo progetto si intende principalmente ampliare le conoscenze sulla regolazione post traduzionale di fattori associati alla funzionalità mitocondriale e comprendere i meccanismi epigenetici alla base dell'omeostasi cellulare.
Inoltre, questo studio vuole essere una base per future applicazioni terapeutiche. L'utilizzo di molecole sintetiche che agiscono in maniera specifica nelle diverse condizioni metaboliche, come l'inibitore HAT da noi individuato, può essere di grande interesse nell¿ambito della ricerca oncologica per l'individuazione di terapie mirate.
Uno dei problemi dell'utilizzo di farmaci nei pazienti oncologici è la somministrazione. In futuro ci proponiamo di sperimentare nuovi materiali biocompatibili per il trasporto cellula-specifico di molecole sintetiche. Una nuova strategia potrebbe essere quella di utilizzare gel di DNA termoregolabili che solidificano a temperatura corporea come adiuvanti di inibitori o attivatori metabolici specifici [5], cosa che permetterebbe il mantenimento in loco della molecola somministrata. Inoltre, questi DNA sintetici potrebbero essere progettati per esporre antigeni specifici che ne aumenterebbero la localizzazione nel tessuto di interesse, eliminando gli effetti collaterali che caratterizzano le terapie utilizzate attualmente.
[1] A. Kinner and R. Kolling, The yeast deubiquitinating enzyme Ubp16 is anchored to the outer mitochondrial membrane, FEBS Lett (2003)
[2] T.M. Durcan and E.A. Fon, The three 'P's of mitophagy: PARKIN, PINK1, and post-translational modifications, Gen Dev (2015)
[3] W. Huang et al, Acetylation control of metabolic enzymes in cancer: an updated version, Acta Biochim Biophys Sin (2014)
[4] G.V. Glinsky et al., Microarray analysis identifies a death-from-cancer signature predicting therapy failure in patients with multiple types of cancer, J Clin Invest (2005)
[5] F. Bomboi et al., Re-entrant DNA gels, Nat Commun (2016)