La prima mappa del cancro su scala genomica, con l’aiuto di CRISPR

Photo by Phil mynott

Data Center, Wellcome Sanger Institute

Se conosci il nemico e te stesso, la tua vittoria è sicura. Lo ha scritto oltre duemila anni fa lo stratega militare Sun Tzu, ma questa massima potrebbe valere anche per la ricerca oncologica ai tempi di CRISPR. Individuare i punti deboli delle cellule tumorali è il primo passo per identificare i bersagli molecolari da colpire con la prossima generazione di farmaci. E il Wellcome Sanger Institute di Cambridge ha appena fatto un balzo avanti decisivo verso il traguardo, stilando una lista di 600 target potenziali. Lo studio appena pubblicato su Nature dal gruppo diretto da Mathew Garnett ha come primi firmatari tre ricercatori, due dei quali italiani. Ad accompagnarlo, sempre sulla stessa rivista, c’è un paper gemello prodotto dal Broad Institute di Boston, che ne conferma i risultati seguendo un approccio alternativo.

Per restituire il senso dell’impresa, che va sotto il nome di Cancer Dependency Map, possiamo prendere in prestito similitudini belliche, fare paragoni con la cartografia delle terre inesplorate, e persino attingere al repertorio noir. Quei 600 geni diventano così altrettanti varchi da sfruttare per sbaragliare il nemico, i vertici geodetici della nuova topografia del cancro, gli indizi letali che gli investigatori in camice bianco devono seguire per fermare un pericoloso assassino.

SANGER Mathew Garnett, Francesco Iorio, Fiona Behan, Gabriele Picco

Mathew Garnett, Francesco Iorio, Fiona Behan e Gabriele Picco (credit Wellcome Sanger Institute)

Fuor di metafora, il lavoro firmato da Fiona Behan, Francesco Iorio, Gabriele Picco e colleghi è il risultato di un tour de force di genomica funzionale e bioinformatica durato quattro anni. I ricercatori hanno disattivato uno ad uno tutti i geni presenti in oltre 300 modelli in vitro di cancro, provenienti da oltre 30 tipi di tumori, e da questa mole di dati hanno ricavato un ordine di priorità che guiderà la ricerca di nuove cure.

L’irlandese Behan ha fatto uno screening a tappeto con CRISPR, utilizzando una collezione di ben 100.000 molecole guida, in media 5 per gene, per coprire i tumori su scala davvero genomica. Tagliare una sequenza è il modo più semplice per disattivarla e comprenderne la funzione. CRISPR è la tecnica maestra per questo tipo di interventi detti knock-out, e si conferma un formidabile strumento investigativo anche in campo oncologico.

Se dopo aver coltivato le cellule tumorali per due settimane, la quantità di una certa guida risulta diminuita, vuol dire che le cellule che ce l’avevano in dotazione non sono riuscite a proliferare. Se ne può dedurre che il gene corrispondente è essenziale per la sopravvivenza del tumore e che colpirlo potrebbe essere una strategia anti-cancro vincente.

SANGER Dr Francesco Iorio Wellcome Sanger Institute

Francesco Iorio (credit Wellcome Sanger Istitute)

“In pratica abbiamo dato a ciascun gene la possibilità di dimostrare il suo potenziale come futuro bersaglio terapeutico”, ci ha spiegato Francesco Iorio. Il bioinformatico italiano si è laureato a Salerno, per poi perfezionarsi all’Istituto Telethon di Genetica e Medicina e all’Istituto Europeo di Bioinformatica di Cambridge. Ora è a capo del gruppo che fornisce il supporto computazionale al progetto Cancer Dependency Map al Wellcome Sanger Institute.

“Il problema è che lo sviluppo di nuovi farmaci in ambito oncologico presenta un livello altissimo di attrito. Il 95% dei candidati farmaci fallisce le ultime fasi di sperimentazione clinica, perciò è di fondamentale importanza partire con un target che abbia un’alta probabilità di arrivare fino in fondo”, continua il ricercatore. Questa è proprio la filosofia di Open Targets, il consorzio di istituzioni accademiche e industrie farmaceutiche che ha finanziato gli esperimenti.

Il “knock-out screening” del Sanger ha individuato migliaia di geni chiave per la vitalità delle cellule tumorali, ma molti di questi sono necessari anche per mantenere in vita le cellule sane, dunque non possono essere presi di mira. Con gli algoritmi messi a punto da Iorio, però, è possibile distinguere questi due casi, e anche discriminare le cellule uccise dalla strategia anti-cancro e quelle morte per cause diverse.

“La bioinformatica dapprima è servita a ripulire i dati e poi ad assegnare a ogni gene candidato un punteggio”. Insomma un indice di priorità, che ci dice quanto un determinato bersaglio meriti di essere ulteriormente studiato, sulla base dei segnali di fitness, del livello di espressione e via continuando. Oltre a questo numero, compreso tra zero e cento, viene valutato il livello di trattabilità, ovvero se esistono già farmaci che prendono di mira quel gene, se sono facili da sviluppare o mancano del tutto le informazioni al riguardo.

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Linee tumorali su cui vengono testati i farmaci (credit Wellcome Sanger Institute)

Tutto considerato, i ricercatori hanno deciso di concentrarsi, in particolare, su un gene detto WRN, sottoponendolo a una prova di fattibilità. Gabriele Picco, post-doc del gruppo di Mathew Garnett, lo ha validato in vivo in collaborazione con il Candiolo Cancer Institute di Torino, studiando cosa accade quando si inibisce il gene nelle cellule tumorali trapiantate nel topo.

WRN è coinvolto in una malattia rara, la sindrome di Werner, e fa invecchiare precocemente chi ne possiede una variante difettosa. Ma fino a 25-30 anni tutto ciò non impedisce una vita normale, quindi disattivare il gene in chiave anti-tumorale appare tutto sommato una strada ragionevole. “Questo gene risulta essenziale nei tumori che hanno una caratteristica detta instabilità microsatellitare, in particolare quelli che colpiscono colon-retto e ovaie, ma la strada verso il successo clinico è ancora molto lunga”, precisa Iorio.

Bisognerà sviluppare un farmaco che agisce sulla proteina codificata dal gene (un’elicasi), testarlo su modelli preclinici, magari anche su organoidi, poi nei modelli animali in vivo e infine sull’uomo.  E cosa ne sarà degli altri 600 bersagli individuati? “Ce ne sono molti con un buon punteggio, tra cui 2 o 3 paragonabili a WRN. Ora un team si occuperà di selezionare i target migliori e validarli. C’è una miniera di molecole che aspetta di essere esplorata”, dice Iorio.

Intanto la topografia del cancro verrà perfezionata. “Questa è la prima view a bassa risoluzione, diventerà sempre più esaustiva e nitida man mano che aggiungeremo nuovi dati. Il nostro screening ha riguardato 300 linee cellulari, coprendo i tipi di cancro a incidenza più elevata, ma non rappresenta tutto lo spettro dell’eterogeneità genomica del cancro umano. Dobbiamo estendere il set di modelli e stiamo lavorando a una banca dati integrata che metta insieme il nostro screening e quello del Broad Institute, arrivando a un migliaio di linee cellulari”.

Ci sono ancora lande del paesaggio tumorale che sono “terra incognita” e aspettano di essere riempite: la mappa delle vulnerabilità del cancro è un work in progress.

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