Morire giovani in età avanzata?

La vita è un'interazione molto complessa tra le nostre cellule e le informazioni contenute nel DNA e nell'epigenoma. L'epigenoma è il termine usato per descrivere i cambiamenti chimici nel DNA. Questo regola l'attività dei geni ed è coinvolto, tra l'altro, nel processo di sviluppo e nella differenziazione dei tessuti. Mentre il DNA è l'hardware biologico, l'epigenoma può essere definito come una sorta di software. Non si sa ancora se l'invecchiamento sia dovuto al decadimento dell'hardware o del software (o di entrambi).

Il nostro DNA è un'elica a doppio filamento. Se il DNA è danneggiato, può provocare mutazioni e accelerare il processo di invecchiamento. In particolare, le rotture di entrambi i filamenti di DNA, le cosiddette rotture del DNA a doppio filamento, che si verificano da 10 a 50 volte al giorno per cellula, potrebbero essere la causa dell'invecchiamento [1,2]. Tuttavia, ci sono dubbi su questa teoria. Questo perché molte cellule vecchie presentano solo poche mutazioni [3] oppure cellule di topi con alti tassi di mutazione mostrano pochi o nessun segno di invecchiamento precoce [4].

Da precedenti esperimenti con il lievito, si sapeva che la perdita di informazioni epigenetiche poteva rappresentare un meccanismo di invecchiamento [5,6]. Tali cambiamenti epigenetici associati all'età si osservano anche negli organismi multicellulari, come vermi, mosche o ratti talpa nudi. Molti di questi cambiamenti epigenetici si basano sulla metilazione del DNA. Si tratta di una modifica chimica del DNA attraverso il trasferimento di un composto chimico (un gruppo metilico). Questa modifica non altera il DNA sottostante, ma regola l'attività di questo segmento di DNA, con la metilazione che tipicamente sopprime l'espressione genica. Non sappiamo perché l'epigenoma cambi con l'età. Anche in questo caso, gli esperimenti sul lievito hanno fornito ai team di ricerca un indizio. In particolare, le rotture del doppio filamento [7] e la successiva riparazione, che richiede fattori epigenetici, sono sembrate essere un forte motore di questi cambiamenti epigenetici.

È quindi possibile che i cambiamenti nel software ci invecchino? Un gruppo di ricercatori ha indagato su questa domanda. Volevano verificare se i cambiamenti epigenetici sono una causa dell'invecchiamento nei mammiferi.

Gli esperimenti

Per prima cosa, i ricercatori hanno sviluppato un sistema che crea rotture del doppio filamento in singole cellule e in organismi multicellulari, ma non innesca mutazioni. Per farlo, hanno fuso insieme due geni, uno proveniente da una muffa – un endonucleasi. Le endonucleasi riconoscono siti specifici sul DNA e tagliano entrambi i filamenti. In questo modo si verificano rotture del doppio filamento. L'altro gene è un recettore estrogenico mutato, regolato esclusivamente dal tamoxifene. Ora questi geni fusi vengono trasferiti in un plasmide. I plasmidi sono piccole molecole di DNA a doppio filamento a forma di anello presenti nei batteri. Tuttavia, i plasmidi si trovano anche in organismi unicellulari e multicellulari. I plasmidi possono replicarsi in modo indipendente e possono quindi essere trasferiti da una cellula all'altra. Pertanto, i plasmidi sono ampiamente utilizzati nell'ingegneria genetica, in quanto vengono impiegati come vettori per introdurre materiale genetico negli organismi viventi.

I ricercatori hanno ora preso di mira le cellule staminali dei topi e hanno voluto dotarle del nuovo materiale genetico. Le cellule staminali, ora geneticamente modificate, sono state iniettate in blastocisti, cellule che si trovano nel primo stadio di sviluppo degli embrioni di topo. La blastocisti, a sua volta, viene impiantata in un topo che funge da madre surrogata. Tuttavia, la prole prodotta in questo modo è costituita da cellule geneticamente diverse. In biologia, questi animali sono chiamati chimere. I topi chimerici possono ora trasmettere i geni inseriti alla loro progenie. Per produrre solo topi con le caratteristiche genetiche desiderate, sono stati incrociati con topi normali. I ricercatori hanno quindi creato una linea di topi in cui sono stati in grado di indurre rotture del doppio filamento aggiungendo tamoxifene. Come controlli sono stati utilizzati topi normali. I topi ora geneticamente modificati sono stati inoltre alimentati con tamoxifene per 3 settimane all'età di 4-6 mesi per indurre rotture del doppio filamento.

I ricercatori hanno chiamato il sistema di studio utilizzato e i topi corrispondenti ICE (inglese: inducible changes to the epigenome). In primo luogo, i ricercatori hanno dimostrato che l'ICE induce rotture del DNA a doppio filamento senza causare mutazioni, per garantire che le eventuali mutazioni del DNA indotte non contribuiscano al processo di invecchiamento.

Il passo successivo è stato quello di analizzare il processo di invecchiamento causato dalle rotture del doppio filamento. Inizialmente, non si sono verificati cambiamenti evidenti nel comportamento, nell'attività e nella dieta dei topi ICE o dei topi di controllo. Dopo un mese, tuttavia, i ricercatori hanno notato piccoli cambiamenti. 10 mesi dopo l'intervento, i topi ICE hanno mostrato i classici segni della vecchiaia, come una riduzione del peso corporeo, un aumento della massa grassa indipendente dalla dieta e una minore attività notturna. I segni di invecchiamento erano evidenti anche nel cervello e nei muscoli dei topi ICE. I ricercatori hanno confrontato la loro età epigenetica, una misura dell'invecchiamento dell'apparatocellulare, con quella dei topi di controllo e hanno osservato che il tasso di invecchiamento cellulare era superiore di circa il 50% rispetto a quello dei topi di controllo. Anche l'epigenoma ha risentito del processo di invecchiamento. Nei topi ICE, i ricercatori hanno riscontrato una perdita di informazioni epigenetiche. Un problema correlato è che le cellule invecchiate epigeneticamente perdono la loro identità cellulare.

Il software può essere riavviato?

Ora Sinclair e il suo team [8] volevano sapere se era possibile resettare l'epigenoma in vitro e in vivo. In questo modo, hanno potuto anche escludere la possibilità che le mutazioni siano responsabili dell'invecchiamento. I cosiddetti fattori di Yamanaka (Oct4, Sox2, Klf4 e Myc) [9] alleviano i sintomi dell'invecchiamento e prolungano la durata della vita nei topi [10,11]. Un altro studio ha anche dimostrato che l'età epigenetica può essere resettata per curare i topi ciechi, un processo che richiede la metilazione del DNA [12].

Questi risultati dimostrano che le cellule hanno una riserva di informazioni epigenetiche giovanili che possono ripristinare l'identità cellulare [13]. Pertanto, i ricercatori hanno studiato cosa succede quando i fattori di Yamanaka Oct4, Sox2 e Klf4 (OSK) vengono espressi nelle cellule ICE. In media, l'età epigenetica delle cellule è stata ringiovanita del 57%. È sorprendente che dopo sole 5 settimane i reni e i muscoli siano ringiovaniti fino a raggiungere un'età equivalente a quella del gruppo di controllo negativo. Tuttavia, non si sa ancora come avvenga esattamente questo ringiovanimento.

Sembra quindi che le cellule dei mammiferi facciano una sorta di backup delle loro informazioni epigenetiche in uno stato giovanile. Ciò consentirebbe loro di riavviarsi in uno stato più giovane se, ad esempio, l'epigenoma ha subito troppi danni. Tuttavia, gli esperimenti di Sinclair e colleghi hanno anche dimostrato che l'epigenoma può essere manipolato in modo tale da accelerare o invertire il processo di invecchiamento. Il metodo ICE è promettente perché ci offre un nuovo modo di studiare il processo di invecchiamento epigeneticamente associato.

Chissà se un giorno ci ringiovaniremo con un riavvio del software.

Riferimenti bibliografici

1. Tian X, Firsanov D, Zhang Z, Cheng Y, Luo L, Tombline G, et al. SIRT6 Is Responsible for More Efficient DNA Double-Strand Break Repair in Long-Lived Species. Cell. Cell Press; 2019;177: 622-638.e22. doi:10.1016/j.cell.2019.03.043

2. Vilenchik MM, Knudson AG. Endogenous DNA double-strand breaks: Production, fidelity of repair, and induction of cancer. Proc Natl Acad Sci U S A. National Academy of Sciences; 2003;100: 12871–12876. doi:10.1073/PNAS.2135498100/SUPPL_FILE/5498TABLE3.HTML

3. de Majo F, Martens L, Hegenbarth JC, Rühle F, Hamczyk MR, Nevado RM, et al. Genomic instability in the naturally and prematurely aged myocardium. Proc Natl Acad Sci U S A. National Academy of Sciences; 2021;118: e2022974118. doi:10.1073/PNAS.2022974118/SUPPL_FILE/PNAS.2022974118.SAPP.PDF

4. Robinson PS, Coorens THH, Palles C, Mitchell E, Abascal F, Olafsson S, et al. Increased somatic mutation burdens in normal human cells due to defective DNA polymerases. Nat Genet 2021 5310. Nature Publishing Group; 2021;53: 1434–1442. doi:10.1038/s41588-021-00930-y

5. Sinclair DA, Mills K, Guarente L. Accelerated aging and nucleolar fragmentation in yeast SGS1 mutants. Science (80- ). American Association for the Advancement of Science; 1997;277: 1313–1316. doi:10.1126/science.277.5330.1313

6. Smeal T, Claus J, Kennedy B, Cole F, Guarente L. Loss of Transcriptional Silencing Causes Sterility in Old Mother Cells of S. cerevisiae. Cell. Cell Press; 1996;84: 633–642. doi:10.1016/S0092-8674(00)81038-7

7. Park PU, Defossez P-A, Guarente L. Effects of Mutations in DNA Repair Genes on Formation of Ribosomal DNA Circles and Life Span in Saccharomyces cerevisiae. Mol Cell Biol. American Society for Microbiology; 1999;19: 3848–3856. doi:10.1128/MCB.19.5.3848/ASSET/D1E72663-9CCB-4583-8D74-8D455B378AFB/ASSETS/GRAPHIC/MB0591949006.JPEG

8. Yang J-H, Hayano M, Griffin PT, Amorim JA, Bonkowski MS, Apostolides JK, et al. Loss of epigenetic information as a cause of mammalian aging. Cell. Elsevier; 2023;186: 305-326.e27. doi:10.1016/J.CELL.2022.12.027

9. Takahashi K, Yamanaka S. Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors. Cell. Cell Press; 2006;126: 663–676. doi:10.1016/J.CELL.2006.07.024

10. Ocampo A, Reddy P, Martinez-Redondo P, Platero-Luengo A, Hatanaka F, Hishida T, et al. In Vivo Amelioration of Age-Associated Hallmarks by Partial Reprogramming. Cell. Cell Press; 2016;167: 1719-1733.e12. doi:10.1016/J.CELL.2016.11.052

11. Sarkar TJ, Quarta M, Mukherjee S, Colville A, Paine P, Doan L, et al. Transient non-integrative expression of nuclear reprogramming factors promotes multifaceted amelioration of aging in human cells. Nat Commun 2020 111. Nature Publishing Group; 2020;11: 1–12. doi:10.1038/s41467-020-15174-3

12. Lu Y, Brommer B, Tian X, Krishnan A, Meer M, Wang C, et al. Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision. Nature. Springer US; 2020;588: 124–129. doi:10.1038/s41586-020-2975-4

13. Sinclair AD. Lifespan: The Revolutionary Science of Why We Age and Why We Don’t Have To [Internet]. Atria books, Simon and Schuster; 2019. Disponibile: https://www.amazon.com/Lifespan-Why-Age-Dont-Have/dp/0008353743/