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Laboratorio di Biologia molecolare, Citogenetica, Epigenomica

Biologia Molecolare, Citogenetica, Epigenomica


Responsabili:

  • Prof. Solomon Nergadze: Epigenomica e Bioinformatica
  • Prof. Elena Raimondi: Citogenetica Molecolare
  • Prof. Elena Giulotto: Biologia Molecolare e Cellulare

 

Collaboratori:

  • Eleonora Cappelletti (post-doc)
  • Maria Francesca Piras (collaboratrice)
  • Marialaura Biundo (dottoranda)
  • Edoardo Rapisarda (dottorando)


LINEE DI RICERCA
I progetti di ricerca riguardano i meccanismi molecolari coinvolti nel mantenimento dell’integrità del genoma dei mammiferi che svolgono un ruolo fondamentale nella cancerogenesi e nell’evoluzione. Le principali strutture necessarie per il mantenimento dell’integrità strutturale e funzionale dei cromosomi sono i centromeri ed i telomeri.

Punto di forza del laboratorio è l'integrazione di diversi approcci sperimentali fra cui un ampio spettro di metodiche cellulari, biomolecolari, genomiche, citogenetiche e bioinformatiche.
 

FUNZIONE ED EVOLUZIONE DEL CENTROMERO
I centromeri sono essenziali per la separazione dei cromosomi durante la divisione cellulare. Al contrario di quanto avviene per altri loci, la funzione dei centromeri non è determinata dalla sequenza di DNA, ma da fattori epigenetici. In particolare, la cromatina centromerica è peculiare per la presenza dell’istone H3 modificato, CENP-A, e di numerose proteine che costituiscono il complesso denominato CCAN (Constitutive Centromere Associated Network). Inoltre, la centrocromatina è caratterizzata da modificazioni istoniche. I centromeri dei mammiferi sono tipicamente associati a DNA altamente ripetuto in tandem (DNA satellite); questo tipo di organizzazione ha ostacolato l’analisi molecolare dettagliata della cromatina centromerica. Il nostro gruppo di ricerca ha dimostrato per la prima volta l’esistenza in natura di centromeri stabili e funzionali privi di DNA satellite. Questi centromeri sono presenti in numerosi cromosomi del genere Equus (cavalli, asini e zebre); essi costituiscono un sistema modello unico per lo studio del controllo epigenetico della funzione centromerica e del suo ruolo nell’evoluzione del genoma. Recentemente abbiamo dimostrato la presenza di centromeri privi di DNA satellite in altre specie di mammiferi. L’assenza di DNA ripetuto al centromero ci offre la possibilità di studiare il ruolo della metilazione del DNA, della trascrizione, delle modificazioni istoniche nella funzionalità del centromero e di analizzare l'organizzazione tridimensionale della cromatina centromerica. Grazie all'assemblaggio di genomi T2T (Telomere to Telomere) mediante sequenziamenti di ultima generazione è ora possibile studiare anche l'organizzazione molecolare di centromeri associati a DNA ripetuto e confrontarla con quella di centromeri a sequenza unica.

Le conoscenze relative alla biologia dei centromeri dei mammiferi derivano prevalentemente da studi condotti su pochi organismi modello. Le nostre ricerche hanno messo in evidenza che l'organizzazione dei centromeri osservata in questi modelli non è universale ma rappresenta solo una delle diverse possibili strutture molecolari presenti in natura. 

Ci proponiamo quindi di studiare l'architettura dei centromeri in specie appartenenti a diversi ordini di mammiferi e di confrontarla, attraverso analisi genomiche ed epigenomiche, per definire i meccanismi che hanno portato all'evoluzione dei cariotipi e alla speciazione. 

Collaborazioni:

  • Aurora Ruiz-Herrera (Universitat Autonoma de Barcelona, Spain)
  • Theodore Kalbfleisch e Ernest Bailey (University of Kentucky)
  • Jessica Petersen (University of Nebraska)
  • Rebecca Bellone e Carrie Finno (University of California-Davis)
  • Nicolas Altemose (Stanford University)
  • Terje Raudsepp (Texas A&M University)
  • The Horse Genome Project
  • The Horse FAANG Project
  • The Ruminant T2T Consortium


I CENTROMERI NEL CANCRO
La stragrande maggioranza dei tumori è caratterizzata da alterazioni del numero cromosomico dovute a difetti di segregazione che possono essere dovuti ad alterazioni della funzione dei centromeri. Tuttavia, la biologia dei centromeri nel cancro è poco studiata. In particolare, mentre la deregolazione delle proteine centromeriche è comune ed associata a prognosi infausta, l'organizzazione genomica ed epigenomica dei centromeri nei tumori rimane largamente inesplorata. Gli approcci metodologici messi a punto per lo studio dell'evoluzione dei centromeri nei mammiferi saranno applicati allo studio dell'evoluzione molecolare dei centromeri in linee cellulari ed espianti di tumori caratterizzati da cariotipi altamente riarrangiati. Queste ricerche sono condotte in stretta collaborazione con la Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo.

Collaborazioni:

  • Marco Paulli, Giuseppina Ferrario, Roberta Riboni, Giuseppe Neri (Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo)


I TELOMERI
I telomeri sono strutture nucleoproteiche localizzate alle estremità dei cromosomi lineari. Nei mammiferi il DNA telomerico, costituito dalla ripetizione in tandem dell’esanucleotide TTAGGG, è legato da un complesso multiproteico denominato “shelterin”. I telomeri proteggono la terminazione dei cromosomi dalla degradazione e dalla fusione con altri telomeri. Il malfunzionamento dei telomeri causa riarrangiamenti cromosomici che possono portare alla tumorigenesi. Telomeri troppo corti sono indistinguibili da rotture accidentali del DNA e causano instabilità genomica. Il nostro gruppo ha contribuito alla dimostrazione che i telomeri sono trascritti in molecole di RNA non codificante chiamate TElomeric Repeat-containing RNA (TERRA). Abbiamo poi dimostrato che la trascrizione dei telomeri è finemente regolata ed è coinvolta nel mantenimento dell’integrità dei telomeri. Sequenze ripetute identiche a quelle telomeriche sono localizzate in siti interni dei cromosomi e denominate telomeri interstiziali. I nostri lavori hanno dimostrato che, nei mammiferi, i telomeri interstiziali sono stati inseriti nel corso dell’evoluzione durante la riparazione di rotture a doppio filamento attraverso un meccanismo che coinvolge la telomerasi. Abbiamo recentemente dimostrato che nell' uomo anche i telomeri interstiziali sono trascritti e che questi RNA costituiscono una frazione rilevante del pool di TERRA. Ci proponiamo di analizzare l’evoluzione e la funzione dei telomeri e dei telomeri interstiziali nell'uomo e in altri mammiferi.

Collaborazioni:

  • Claus Azzalin (Instituto de Medicina Molecular João Lobo Antunes, Lisbona)


Pubblicazioni recenti selezionate:
- Telomere-to-Telomere Horse and Donkey Genomes Reveal Unusual Centromere Evolution in Equids. Li K, Cappelletti E, Dessaix C, Ciosek J, Robyn E, Johnson L, AbouEl Ela NH, Arias X, Adelson DL, Raudsepp T, Piras FM, Laird-Smith M, Hudson E, Pickett BD, Koren S, Walenz BP, Brooks SY, Sison C, Crawford J, Bouffard G, Phillippy AM, Miller D, Antczak DF, Cullen J, Stroupe S, Davis B, McCue M, Durward-Akhurst S, Petersen JL, Giulotto E, Kalbfleisch T. 2026, Cell Genomics (in press)

- Unconventional centromere architectures in Tapirus indicus reveal hotspots for satellite-free centromere formation in Perissodactyla. Biundo M, Piras FM, Rapisarda E, Ryder OA, Nergadze SG, Giulotto E, Cappelletti E. 2026, Commun. Biol. (in press)

- TERRA transcripts and promoters from telomeric and interstitial sites. Santagostino M, Sola L, Cappelletti E, Piras FM, Gennari N, Biundo M, Nergadze SG, Giulotto E. 2025, RNA. doi: 10.1261/rna.080790.125.

- CENP-A/CENP-B uncoupling in the evolutionary reshuffling of centromeres in equids. Cappelletti E, Piras FM, Biundo M, Raimondi E, Nergadze SG, Giulotto E. 2025, Genome Biol. doi: 10.1186/s13059-025-03490-0.

- The localization of centromere protein A is conserved among tissues. Cappelletti E, Piras FM, Sola L, Santagostino M, Petersen JL, Bellone RR, Finno CJ, Peng S, Kalbfleisch TS, Bailey E, Nergadze SG, Giulotto E. 2023, Commun Biol. doi: 10.1038/s42003-023-05335-7.