CRISPR-based epigenome and genome editing reveal novel roles for PLEC in cartilage biology, mechanobiology, and response to inflammation

L'artrosi è la forma più comune di artrite, una condizione in cui la cartilagine liscia e protettiva che ammortizza le estremità delle ossa si consuma, portando a dolore e rigidità. Sebbene l'età e gli infortuni siano fattori scatenanti ben noti, gli scienziati sospettano da tempo che i nostri geni giochino un ruolo massiccio nel determinare chi sviluppa la malattia e con quale velocità progredisce. I ricercatori hanno identificato specifici punti nel nostro DNA, chiamati polimorfismi a singolo nucleotide, che sono legati a un rischio maggiore di artrosi. Tuttavia, la maggior parte di questi punti rischiosi non contiene le istruzioni effettive per la produzione di proteine; invece, si trovano nelle regioni non codificanti del genoma. Pensate a queste regioni come alle manopole del volume e ai regolatori di intensità di una radio; esse non suonano la musica in sé, ma controllano quanto la musica suoni forte o piano. Nel caso dell'artrosi, questi interruttori genetici probabilmente funzionano aumentando o diminuendo l'attività di determinati geni attraverso un processo chiamato metilazione del DNA, che agisce come un'etichetta chimica capace di silenziare un gene. Comprendere esattamente come questi interruttori silenziosi controllino la salute della nostra cartilagine è fondamentale per trovare nuovi modi per trattare la malattia.

Un team di ricercatori della Washington University School of Medicine e di diverse istituzioni internazionali ha compiuto un passo significativo verso lo svelamento di questo mistero concentrandosi su un fattore di rischio genetico specifico noto come rs11780978. Questa variante genetica si trova vicino a un gene chiamato PLEC, che produce una grande proteina chiamata plectina. La plectina agisce come una colla strutturale all'interno delle cellule, tenendo insieme lo scheletro interno e aiutando le cellule a percepire e rispondere alle forze fisiche. I ricercatori volevano sapere se questo fattore di rischio genetico cambiasse il modo in cui la plectina viene prodotta nelle cellule della cartilagine, e se avere meno plectina rendesse tali cellule più vulnerabili all'usura e all'infiammazione della vita quotidiana. Per scoprirlo, hanno costruito un sofisticato sistema di laboratorio che ha permesso loro di modificare il codice genetico e le etichette chimiche sul DNA delle cellule della cartilagine umana, creando di fatto un ambiente controllato per testare come questi cambiamenti influenzino la capacità delle cellule di costruire e mantenere tessuti sani.

Gli scienziati hanno iniziato confermando che il fattore di rischio genetico che stavano studiando era effettivamente legato a specifiche etichette chimiche sul DNA in campioni di cartilagine umana prelevati da pazienti. Hanno identificato diverse nuove posizioni in cui il codice genetico influenzava queste etichette, ampliando la mappa di come questo fattore di rischio potrebbe operare. Utilizzando uno strumento preciso che agisce come un cancellatore molecolare, hanno rimosso le etichette chimiche da questi specifici punti nel DNA di cellule della cartilagine coltivate in laboratorio. Hanno osservato che quando rimuovevano queste etichette, l'attività del gene della plectina diminuiva significativamente. Ciò ha fornito una forte prova che il fattore di rischio genetico funziona alterando l'ambiente chimico del DNA, il che a sua volta riduce la quantità di plectina che la cellula produce. Avendo stabilito questo legame, il team è passato alla fase successiva: creare una linea cellulare che naturalmente mancasse di plectina per vedere cosa sarebbe successo quando le cellule cercavano di crescere e funzionare senza di essa.

Per studiare gli effetti della mancanza di plectina, i ricercatori hanno utilizzato un tipo speciale di cellula staminale umana che può essere indotta a diventare una cellula della cartilagine. Hanno utilizzato una tecnica di editing genico per eliminare un piccolo pezzo del gene della plectina, creando una versione delle cellule che non poteva produrre la proteina completa. Hanno verificato che queste cellule editate avevano livelli significativamente inferiori di plectina a livello di DNA, RNA e proteina, e che questa carenza persisteva anche mentre le cellule crescevano e maturavano in strutture simili alla cartilagine. Quando queste cellule prive di plectina sono state lasciate formare cartilagine in una capsula di Petri, hanno mostrato un cambiamento sottile ma importante nel loro comportamento. Sebbene fossero ancora in grado di costruire cartilagine, producevano meno dei componenti fondamentali, come il collagene di tipo II e l'aggrecan, che sono essenziali per la forza del tessuto e la sua capacità di assorbire gli urti. Interessantemente, le cellule non mostravano segni di formazione di tessuto cicatriziale o di invecchiamento prematuro, suggerendo che la mancanza di plectina indebolisse specificamente la capacità della cartilagine di ricostruirsi piuttosto che causarne una degradazione più rapida.

I ricercatori hanno poi sottoposto queste cellule ai tipi di stress che affronterebbero all'interno di un corpo umano. Hanno esposto la cartilagine a segnali infiammatori, simili a ciò che accade durante un focolaio di artrite, e alla pressione meccanica, imitando la forza del camminare o del correre. Quando le cellule venivano colpite dall'infiammazione, reagivano riducendo la produzione di componenti sane della cartilagine, una risposta osservata sia nelle cellule normali che in quelle prive di plectina. Tuttavia, le cellule prive di plectina mostravano un modello leggermente diverso nella loro risposta genetica all'infiammazione, producendo meno di un segnale infiammatorio specifico chiamato IL-6. Ciò suggerisce che, sebbene le cellule soffrissero comunque dell'infiammazione, il modo in cui comunicavano questo stress al resto del corpo era alterato.

Forse la parte più rivelatrice dello studio è arrivata quando i ricercatori hanno combinato la pressione meccanica con l'infiammazione, creando un ambiente "meccano-infiammatorio" che imita da vicino le condizioni all'interno di un'articolazione affetta da artrite. Hanno analizzato l'attività genetica delle cellule in queste condizioni e hanno scoperto che l'assenza di plectina cambiava il modo in cui le cellule rispondevano al carico fisico. Le cellule prive di plectina attivavano un set diverso di geni rispetto alle cellule normali. Alcuni di questi geni erano correlati a come lo scheletro interno della cellula è organizzato, mentre altri erano legati a lunghi filamenti di materiale genetico che regolano il funzionamento di altri geni. Uno dei risultati più notevoli è stato che le cellule prive di plectina non riuscivano ad attivare correttamente un gene chiamato H19, noto per aiutare la cartilagine a ripararsi da sola. Senza che questo gene venga attivato correttamente, le cellule potrebbero faticare a riparare i danni causati dal movimento quotidiano, specialmente quando tale movimento è accompagnato da infiammazione.

Lo studio ha anche esaminato se la mancanza di plectina cambiasse la rigidità fisica delle cellule o la loro capacità di percepire la forza. Utilizzando una sonda microscopica altamente sensibile, i ricercatori hanno premuto sulle singole cellule per vedere quanto si deformassero e come reagissero con segnali di calcio. Sorprendentemente, le cellule senza plectina erano altrettanto rigide e altrettanto reattive alla spinta fisica rispetto alle cellule normali. Ciò indica che il problema non è che le cellule non possano sentire la forza o che siano fisicamente più deboli in un senso semplice. Invece, il problema risiede nel modo in cui le cellule traducono quella sensazione fisica in una risposta genetica. Lo scheletro interno, che la plectina aiuta a tenere insieme, sembra essere fondamentale per inviare i messaggi corretti al nucleo della cellula per dirle di costruire più cartilagine quando è sotto pressione.

Collegando un fattore di rischio genetico a un cambiamento chimico nel DNA, e collegando poi questo cambiamento chimico a una carenza di una proteina strutturale, i ricercatori hanno tracciato una linea netta da una minuscola variazione nel nostro codice genetico alla salute delle nostre articolazioni. Hanno dimostrato che avere un fattore di rischio genetico per l'artrosi può portare a livelli inferiori di plectina, il che a sua volta rende le cellule della cartilagine meno efficaci nel costruire e riparare se stesse quando sono sotto stress. Questo lavoro non offre una cura immediata, ma fornisce una mappa dettagliata di come una vulnerabilità genetica possa portare alla malattia. Evidenzia la plectina come un protagonista chiave nella complessa conversazione tra i nostri geni, l'ambiente e le nostre articolazioni, suggerendo che i futuri trattamenti potrebbero dover concentrarsi sull'aiutare queste cellule a superare le loro debolezze strutturali per resistere meglio alle richieste quotidiane della vita.