Molecular characterization of a deep intronic TBX5 variant in a familial case of Holt-Oram syndrome

La sindrome di Holt-Oram è una condizione rara che influenza lo sviluppo del cuore e delle braccia di una persona prima della nascita. Si trasmette in famiglia ed è causata da cambiamenti, o varianti, in un gene specifico chiamato TBX5. Questo gene agisce come un insieme di istruzioni per costruire il cuore e gli arti superiori durante la prima gravidanza. Quando le istruzioni sono chiare e corrette, il corpo costruisce queste parti in modo appropriato. Quando le istruzioni sono rimescolate, il risultato può essere la mancanza o la malformazione di dita o pollici. Per decenni, medici e scienziati hanno saputo che la maggior parte dei casi di questa sindrome deriva da errori nella parte codificante del gene, la sezione che definisce direttamente la proteina. Tuttavia, i geni contengono anche lunghi tratti di DNA non codificante tra le istruzioni, che un tempo erano considerati silenziosi. La scienza recente ha dimostrato che queste aree silenziose possono in realtà controllare come le istruzioni vengono lette, ed errori nascosti profondamente in esse possono causare malattie con la stessa certezza di errori nel testo principale.

In uno studio recente, ricercatori del Centro di Ricerca per la Genetica Medica in Russia hanno indagato su una famiglia in cui il padre e il suo giovane figlio soffrivano entrambi della sindrome di Holt-Oram, sebbene i test genetici standard non fossero riusciti a trovarne la causa. Il padre aveva una storia di chirurgia cardiaca e significative deformità alle mani, inclusi pollici mancanti e dita fuse. Suo figlio, nato con problemi alle braccia simili ma meno gravi e gravi difetti cardiaci, aveva ereditato la condizione. Quando la famiglia è stata sottoposta al sequenziamento dell'intero genoma, che legge l'intero codice genetico, gli scienziati hanno trovato un minuscolo cambiamento nel DNA. Questo cambiamento era situato in profondità all'interno di un gap non codificante tra le istruzioni principali del gene TBX5. Era una piccola delezione e inserzione di lettere genetiche che non erano mai state viste prima. Poiché questo cambiamento si trovava in una regione che non codifica per la proteina, era stato inizialmente etichettato come una variante di significato incerto, il che significa che gli scienziati non sapevano se fosse il colpevole o solo una differenza innocua.

Per risolvere questo mistero, il team si è rivolto alle cellule del padre. Hanno fatto crescere cellule della pelle in un laboratorio per produrre RNA, che è la molecola che trasporta il messaggio genetico dal DNA ai macchinari cellulari di produzione proteica. Leggendo questo RNA, i ricercatori potevano vedere esattamente come la cellula stava interpretando le istruzioni genetiche. Hanno scoperto che il minuscolo cambiamento nel gap non codificante aveva ingannato la cellula, portandola a leggere un pezzo di DNA che avrebbe dovuto essere ignorato. Questo pezzo extra, che gli scienziati hanno chiamato pseudoesone, veniva inserito nel messaggio finale. Questa inserzione ha spostato la cornice di lettura delle istruzioni, causando l'arresto precoce della costruzione della proteina da parte della cellula. Il risultato è stato una versione interrotta e accorciata della proteina TBX5 che non poteva svolgere il suo compito.

I ricercatori hanno confermato questo reperto utilizzando una potente tecnica chiamata sequenziamento a lettura lunga (long-read sequencing), che permette di vedere l'intera lunghezza del messaggio genetico in un unico passaggio. Hanno scoperto che nelle cellule del padre, circa il 22 percento dei messaggi TBX5 conteneva questo pezzo extra indesiderato. Nelle cellule sane di un donatore di controllo, questo errore accadeva meno dello 0,2 percento delle volte, suggerendo che il cambiamento genetico nella famiglia stesse effettivamente guidando l'errore. Il team ha anche testato se la cellula tentasse di eliminare questi messaggi rotti. Hanno trattato le cellule con una sostanza che blocca il naturale sistema di smaltimento dei rifiuti della cellula, noto come decadimento mediato dal nonsense (nonsense-mediated decay). Quando questo sistema è stato messo in pausa, la quantità di messaggi errati nelle cellule del padre è salita al 3% (37 percento). Ciò ha dimostrato che la cellula stava attivamente cercando di distruggere i messaggi difettosi, ma alcuni sfuggivano alla distruzione e venivano trasformati nella proteina difettosa.

Questo studio segna la prima volta in cui una variante intronica profonda, un cambiamento nascosto lontano dalle principali istruzioni di codifica, è stata provata come causa della sindrome di Holt-Oram. Le scoperte dimostrano che il codice genetico è più complesso di quanto non siano le sole parti che costruiscono le proteine; gli spazi tra di esse sono critici per garantire che le istruzioni siano lette correttamente. Per la famiglia in questo studio, la ricerca ha fornito una risposta definitiva dopo anni di incertezza, confermando che la loro condizione era causata da questo specifico errore regolatorio. Essa evidenzia inoltre come, quando i test genetici standard tornano vuoti per famiglie con sintomi evidenti, guardare più a fondo nelle regioni non codificanti e testare come i geni funzionano effettivamente nelle cellule possa rivelare la vera causa della malattia.