Instabilità del genoma nel cancro. Coordinatore: Capranico

Strutture non canoniche del genoma (G-loop e R-loop a valle della RNA polimerasi II) si ritrovano nel genoma di cellule umane inducendo instabilità del genoma e attivazione di geni dell’immunità innata.

Temi di ricerca

La regolazione delle funzioni genomiche è un processo complesso che coinvolge diversi fattori proteici e acidi nucleici. Grazie soprattutto allo sviluppo di tecnologie di sequenziamento (note come Next Generation Sequencing, NGS), è diventato possibile studiare come particolari strutture secondarie degli acidi nucleici possano influenzare funzioni genomiche fondamentali come l'espressione genica, la replicazione del DNA, la ricombinazione e la stabilità del genoma. In questo contesto, la nostra ricerca si concentra su come da un lato le strutture del DNA non-B influenzino l'organizzazione della cromatina e la stabilità del genoma, e dall’altro come queste strutture siano regolate dalle DNA Topoisomerasi.

Siamo particolarmente interessati agli R-loop e ai G-quadruplex (G4). Gli R-loop si formano durante la trascrizione quando l'RNA nascente si riappaia al filamento di DNA stampo, formando un ibrido RNA:DNA e costringendo il filamento non-templato a restare a singolo filamento. I G4 sono invece generati da sequenze di DNA ricche di guanina a singolo filamento che si ripiegano in strutture stabili con quartetti planari impilati. Gli R-loop e i G4 sono strutture particolarmente sensibili ai superavvolgimenti di DNA. I superavvolgimenti negativi del DNA generati dietro una RNA polimerasi in fase di allungamento facilitano la formazione di R-loop. È interessante notare che i promotori attivi sono privi di nucleosomi, hanno più superavvolgimenti negativi rispetto ad altri siti genomici e sono regioni in cui gli R-loop e i G4 possono formarsi più facilmente. La DNA topoisomerasi I (Top1) è il principale fattore cellulare che controlla l'omeostasi topologica del genoma. Abbiamo quindi studiato il ruolo della TopI nella formazione degli R-loop in cellule umane mediante il silenziamento del gene o l'uso di inibitori specifici dell'attività di religazione dell’enzima. I risultati sono stati in qualche modo sorprendenti, in quanto dimostrano che la Top1 può effettivamente favorire o sfavorire la formazione degli R-loop a seconda del contesto cromatinico.

Recentemente abbiamo studiato il ruolo dei poison della Top1 nella generazione di micronuclei, con conseguente attivazione della via cGAS-STING e dell'espressione di geni immunitari nelle cellule tumorali. Inoltre, abbiamo dimostrato che questi composti possono attivare sia i geni IRF3- che quelli NF-kB-dipendenti, ma non possono farlo nelle cellule tumorali SCLC, poiché la via cGAS-STING è marcatamente compromessa, probabilmente a causa di diversi meccanismi, tra cui una drastica riduzione dell'espressione di STING e/o cGAS.

Ci siamo anche concentrati nel definire se la stabilizzazione chimica di G4 possa innescare la formazione di R-loop in cellule viventi. Abbiamo quindi eseguito diversi esperimenti per studiare gli effetti dei ligandi di G4 sulla formazione di R-loop e sull'integrità del genoma in cellule tumorali umane, utilizzando un metodo di immunoprecipitazione di R-loop (chiamato DRIP) e la tecnologia NGS. Abbiamo stabilito che i ligandi G4 inducono un aumento immediato degli R-loop nucleari, in quanto i G4 e gli R-loop possono cooperare e stabilizzarsi a vicenda durante la trascrizione, formando un G-loop. Inoltre, i dati dimostrano che i danni al DNA indotti dai ligandi G4 sono mediati dagli R-loop.

In sintesi, il nostro obiettivo di ricerca è stabilire meccanismi molecolari ed epigenetici dipendenti da strutture di DNA non-B di regolazione della trascrizione e instabilità del genoma.

Membri del Laboratorio

Giovanni Capranico, Professore ordinario 

Jessica Marinello, Professoressa Associata

Giulia Miglietta, RTD-a

Marco Russo, Assegnista di Ricerca (Post-doc)

Simona Pepe, Assegnista di Ricerca(Post-doc)

Reneè C. Duardo, Assegnista di Ricerca (Post-doc)

Loris Meoni, Dottorando

Federico Guerra, Dottorando

Monica Procacci, Dottoranda

Posizioni disponibili e progetti di internato

Ogni anno vengono messe a disposizione due posizioni per svolgere l’internato di tesi per studenti di lauree specialistiche e una posizione per studenti di laurea triennale. Gli studenti possono applicare da qualsiasi corso di studio afferente al dipartimento FaBiT.

Pubblicazioni

• Duardo, R.C., Marinello, J., Russo, M., Morelli, S., Pepe, S., Guerra, F., Gómez-González, B., Aguilera, A., Capranico. G. (2024) “Human DNA topoisomerase I poisoning causes R loop-mediated genome instability attenuated by transcription factor IIS” Sci Adv. 10(21): eadm8196. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm8196
• Geraud, M., Cristini, A., Salimbeni, S., Bery, N., Jouffret, V., Russo, M., Ajello, A.C., Fernandez Martinez, L., Marinello, J., Cordelier, P., Trouche, D., Favre, G., Nicolas, E., Capranico, G., Sordet, O. (2024) “TDP1 mutation causing SCAN1 neurodegenerative syndrome hampers the repair of transcriptional DNA double-strand breaks” Cell Rep. 43(5):114214. doi: 10.1016/j.celrep.2024.114214. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124724005424
• Marinello, J., Arleo, A., Russo, M., Delcuratolo, M., Ciccarelli, F., Pommier, Y., & Capranico, G. (2022). Topoisomerase I poison-triggered immune gene activation is markedly reduced in human small-cell lung cancers by impairment of the cGAS/STING pathway. British Journal of Cancer, 1–12. https://doi.org/10.1038/s41416-022-01894-4
• Miglietta, G. Russo, M., Duardo, R.C., Capranico, G., 2021. G-quadruplex binders as cytostatic modulators of innate immune genes in cancer cells. Nucleic Acids Research, 49, pp. 6673–86 https://doi.org/10.1093/nar/gkab500
• De Magis, A., Manzo, S.G., Russo, M., Marinello, J., Morigi, R., Sordet, O. and Capranico, G., 2019. DNA damage and genome instability by G-quadruplex ligands are mediated by R loops in human cancer cells. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(3), pp.816-825 https://doi.org/10.1073/pnas.1810409116