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Genomic Regulation Group

Componenti

Settore ERC

LS2_1 - Genetics
LS2_2 - Gene editing
LS2_8 - Proteomics
LS2_10 - Glycomics/Lipidomics
LS2_13 - Systems biology
LS5_2 - Glial cells and neuronal-glial communication

Attività

Genome regulation is today a key subject in Molecular Biology. The mechanisms of epigenetic control, together with transcriptional and post-transcriptional regulatory networks, constitute the framework for understanding major aspects of cell biology in normal and pathological physiology. 

The activity of genes is controlled primarily at the level of chromatin, by definition of accessible or closed domains. Transcription Factors guide enhancers and promoters to drive RNA transcription, then a wide variety of RNA-Binding Proteins direct which parts of the RNA transcripts should be removed (alternative splicing) and where the poly(A)-tail will be added. Once exported to the cytoplasm, RNAs are then subjected to controls of cellular localization, translation and decay by different mechanisms and effectors among which the widely described micro-RNAs. The increasing depth and decreasing cost of NGS technologies has unraveled that most of the genome is actually transcribed giving rise to a constellation of noncoding RNAs, among which also circular RNA molecules produced by back-splicing of exons. The “wide transcriptome” is actively investigated today also for possible involvement in translational biomedicine.

Our group is interested in the mechanisms of genome regulation both at the epigenetic,  transcriptional, and post-transcriptional level with main focus on cancer. Aberrant gene expression is associated with epigenetic changes at the genomic regulatory regions and the investigation of the regulatory network involved in cancer progression may open the way to identify potential targets for therapy. On the other hand, specific RNA expression profiles are used as “proxy” of specific cancer phenotypes and can be used for diagnosis, prognosis and prediction of response to medical treatments.

Our group leverages molecular and cellular biology expertise with computational and systems biology techniques to investigate aberrant RNA expression and its dependence on genomic regulation.

Ongoing Projects

Sector: BIO11 / Molecular Biology

Funding: Fondazione CRT

Participants: Ymera Pignochino, Santina Cutrupi, Giulio Ferrero, Michele De Bortoli

Abstract: Lung cancer is a major big-killer tumor and radical surgery remains the only curative option. However, recurrences are frequent and strict follow-up is required. The identification of reliable early biomarkers is an urgent need. Circular RNAs (circRNAs) are covalently closed RNA structures with several functions in cancer development. Recently, cancer-specific and tissue-specific circRNAs have been identified by high-throughput sequencing and are curated in publicly available databases. CircRNAs showed ideal features of biomarkers including conservation, abundance, and stability in biofluids. The aim of the project is the identification of circRNAs as non-invasive biomarkers for early detection of lung cancer recurrence by the development of integrated approaches based on bioinformatics analysis, functional validation assays, and detection of low abundance RNA species by digital PCR in plasma samples.

Sector: BIO11 / Molecular Biology

Funding: MUR - PON R&I FSE REACT-EU

Participants: Giulio Ferrero, Michele De Bortoli, Alessio Naccarati (IIGM), Francesca Cordero (Dip. Informatica)

Abstract: Environmental contaminants and lifestyle habits have a deep influence on human physiology and disease state. Specifically, long-term exposure of environmental pollutants and unhealthy dietary and lifestyle habits can widely influence the epigenome of human cells leading to a wide variety of disorders. Colorectal cancer (CRC) is a well known disease whose onset was related to different environmental factors (smoking habit, Western diet rich in processed meat and sugar beverages, sedentaries). Several molecular biomarkers are emerging as non-invasive markers of CRC onset and progression, including microRNAs (miRNAs) and microbial species detectable in stool samples.

In this project we will investigate the effects of environmental pollutants, dietary patterns, and anamnestic data in modulating the level of miRNA, microbial species, and other biomolecules in human biofluids, including stool samples, plasma, and seminal fluid of healthy subjects and patients with gastrointestinal diseases of different severities. The study will be carried out in collaboration with the Italian Institute of Genomic Medicine and Andrology Unit and Service of Lifestyle Medicine in UroAndrology (ASL Salerno).

Small RNA-Sequencing and metagenomic data will be integrated with subject information to identify a subset of molecular features characterizing subjects exposed to environmental pollutants or with unhealthy lifestyle habits. These features will be explored also in patient samples to define a risk classifier able to identify non-invasively the disease onset.

Sector: BIO11 / Molecular Biology

Funding: Ministero della Salute (grant Ricerca Finalizzata giovani ricercatori)

Participants: Ymera Pignochino,  Claudio Isella (Dip. Oncologia)

Abstract: The identification of cancer patient subgroups with peculiar molecular and clinical features is required to better tailor therapeutic approaches. In colorectal cancers, we observed that in ~25% of patients, characterized by highly poor prognosis, the tumor grows imbricated with high content of normal stromal cells. This observation added a layer of complexity that is not yet characterized so far. We aim to define stromal assets with predictive and prognostic value employing a large collection of patient-derived xenografts (PDXs) to precisely identify the stroma contribution by a specie-specific integrated bioinformatics analysis, further validated in cell line-derived xenografts and human samples. The comparison with mesenchymal tumors will permit us to generalize the observations and to dissect key paracrine activities involved in tumor-stroma interplay with a potential broad range therapeutic significance. These results will gain new insights in CRC and MT biology, improving diagnosis and clinical management.

Sector: BIO11 / Molecular Biology

Participants: Santina Cutrupi, Giulio Ferrero, Lorenzo Franchitti, Michele De Bortoli

Funding: University of Turin

Abstract: Estrogen receptor alpha (ERɑ) is a key transcription factor in the normal physiology of the mammary parenchyma as well as in breast cancer, for which estrogenic hormones are major growth factor. ERɑ expression in breast cancer defines specific subtypes Luminal A and B that are less aggressive and can be treated with antiestrogenic drugs. In BC cell lines, chromatin immunoprecipitation sequencing has demonstrated that ERɑ binds to thousands of chromatin sites, mainly enhancers, from where it directs expression of thousands of coding and noncoding genes. Since ERɑ maintains its activity even when hormonal levels are low (such as after menopause or during aromatase inhibitors treatment), we have studied unliganded ERɑ action and discovered that it controls transcription of many genes, among which several lncRNAs (Caizzi 2014). One of these, DSCAM-AS1, is expressed only in Luminal breast cancer and its downregulation in ERɑ+ cells brings about total cell death. DSCAM-AS1 binds specifically an important Splicing Factor, hnRNPL, whose downregulation, in turn, induces cell death. Since among protein-coding genes controlled by ERɑ there are many RBP, among which ESPR1/2 that are main regulators of Epithelial-to-Mesenchymal transition, we are currently exploring the “wide transcriptome” in ERɑ+ breast cancer cell lines in order to enlight ERɑ action at the post-transcriptional level. The analysis of alternative splicing patterns, induced by ERɑ- or DSCAM-AS1-, ESPR1/2- and hnRNPL-downregulation by RNA interference shows extensive and overlapping regulation. Among aberrant products found, circCDYL, the most expressed circular RNA in ERɑ+ breast cancer cells, is investigated as a possible RBP sponge and as a circulating biomarker. We are currently working on the downstream consequences of alternative splicing regulation by ERɑ, by the analysis of the changes induced in the protein-protein interaction network.

La regolazione del genoma è oggi un argomento centrale della Biologia Molecolare. I meccanismi di controllo epigenetico, insieme alle reti regolatorie trascrizionali e post-trascrizionali, sono elementi chiave per la comprensione dei principali aspetti della biologia cellulare nella fisiologia normale e patologica.
L'attività dei geni è controllata principalmente a livello della cromatina, mediante la costituzione di regioni genomiche accessibili ai fattori trascrizionali e regioni inaccessibili. I fattori trascrizionali, interagiscono con sequenze regolatorie (promotori ed enhancers) guidando la trascrizione dell'RNA che interagirà con un'ampia varietà di proteine in grado di, determinare quali parti dei trascritti dovranno essere rimosse (splicing alternativo) e dove verrà aggiunta la coda di poliadenilazione.
Una volta esportati nel citoplasma, gli RNA sono ulteriormente sottoposti a controlli di compartimentalizzazione cellulare, traduzione e degradazione mediante diversi meccanismi ed effettori tra i quali i microRNA. La profondità di sequenziamento e il costo decrescente delle tecnologie di sequenziamento hanno permesso di dimostrare che la maggior parte del genoma viene effettivamente trascritta, dando origine a una costellazione di RNA non codificanti, tra cui anche molecole di RNA circolari prodotte dal back-splicing degli esoni. Il "trascrittoma" è oggi attivamente studiato anche per un possibile coinvolgimento nella biomedicina traslazionale.
Il nostro gruppo è interessato ai meccanismi di regolazione del genoma sia a livello epigenetico, trascrizionale che post-trascrizionale con focus principale sul cancro. Lo studio dell’alterazione dell’espressione genica in seguito a cambiamenti epigenetici nelle regioni regolatorie genomiche e della rete regolatoria coinvolta nella progressione tumorale può aprire la strada verso l'identificazione di potenziali bersagli terapeutici. D'altra parte, particolari profili di espressione dell'RNA sono usati come "proxy" di specifici  fenotipi di cancro e possono essere usati per la diagnosi, la prognosi e la previsione della risposta ai trattamenti medici.
Il nostro gruppo applica tecniche di biologia molecolare e cellulare con approcci di biologia computazionale e dei sistemi complessi per studiare l'espressione aberrante dell'RNA e la sua dipendenza dalla regolazione genomica.

Progetti in corso

Settore: BIO11 / Biologia Molecolare

Ente finanziatore: Fondazione CRT

Partecipanti al progetto: Ymera Pignochino, Santina Cutrupi, Giulio Ferrero, Michele De Bortoli

Abstract: Il cancro del polmone è un noto tumore big-killer e la chirurgia radicale rimane l'unica opzione curativa. Tuttavia, le recidive sono frequenti ed è necessario un follow-up rigoroso. L'identificazione di biomarcatori precoci affidabili è un impellente necessità. Gli RNA circolari (circRNA) sono trascritti con estremità chiuse da legame covalente con diverse funzioni nello sviluppo del cancro. Mediante tecnologia NGS ad alta profondità è stato possibile identificare specifici circRNA tumorali attualmente annotati in database disponibili pubblicamente. I CircRNA mostrano caratteristiche di biomarcatori ideali, tra cui conservazione tra le specie, abbondanza, e stabilità nei biofluidi. Lo scopo del progetto è l'identificazione dei circRNA come biomarcatori non invasivi per la diagnosi precoce delle recidive del cancro al polmone mediante lo sviluppo di approcci integrati basati sull'analisi bioinformatica, saggi di validazione funzionale e rilevazione quantitativa di specie di circRNA mediante PCR digitale in campioni di plasma.

Settore: BIO11 / Biologia Molecolare

Ente finanziatore: MUR - PON R&I FSE REACT-EU

Partecipanti al progetto: Giulio Ferrero, Michele De Bortoli, Alessio Naccarati (IIGM), Francesca Cordero (Dip. Informatica)

Abstract: I contaminanti ambientali e le abitudini di vita hanno una profonda influenza sulla fisiologia umana e sullo stato di malattia. In particolare, l'esposizione a lungo termine a inquinanti ambientali, abitudini alimentari e stili di vita non salutari possono influenzare l'epigenoma delle cellule umane portando ad un'ampia varietà di disturbi. Il cancro del colon-retto (CRC) è una malattia ampiamente conosciuta, la cui insorgenza è stata correlata a diversi fattori ambientali (es. abitudine al fumo, una dieta occidentale ricca di carne lavorata e bevande zuccherate, sedentarietà). Diversi biomarcatori molecolari stanno emergendo come marcatori non invasivi dell'insorgenza e della progressione del CRC, inclusi i microRNA (miRNA) e le specie microbiche rilevabili nei campioni di feci.

In questo progetto studieremo la relazione tra l’esposizione ad inquinanti ambientali, della dieta e dei dati anamnestici nella modulazione del livello di miRNA, specie microbiche e altre biomolecole nei biofluidi umani, inclusi campioni di feci, plasma e liquido seminale di soggetti sani e pazienti con malattie gastrointestinali di diversa gravità. Lo studio sarà svolto in collaborazione con l'Istituto Italiano di Medicina Genomica e Unità di Andrologia e Servizio di Medicina dello Stile di Vita in UroAndrologia (ASL Salerno).

I dati di sequenziamento dei miRNA e metagenomici saranno integrati con le informazioni cliniche e anamnestiche per identificare un sottoinsieme di caratteristiche molecolari che caratterizzano i soggetti esposti a inquinanti ambientali e in relazione alla dieta e agli stili di vita. Queste caratteristiche saranno studiate anche nei campioni di pazienti affetti da CRC per definire un classificatore di rischio in grado di identificare in modo non invasivo l'insorgenza della malattia.

Settore: BIO11 / Biologia Molecolare

Ente finanziatore: Ministero della Salute ( Ricerca Finalizzata giovani ricercatori)

Partecipanti al progetto: Ymera Pignochino, Claudio Isella (Dip. Oncologia, FPO)

Abstract: L'identificazione di sottogruppi di pazienti oncologici con caratteristiche molecolari e cliniche peculiari è necessaria per la scelta di approcci terapeutici personalizzati. Nei tumori del colon-retto (CRC), abbiamo osservato che nel 25% dei casi (caratterizzati da una prognosi altamente sfavorevole) il tumore cresce imbricato con un alto contenuto di cellule stromali normali. Questa osservazione ha aggiunto un ulteriore livello di complessità finora mai caratterizzato. Il nostro scopo è definire e caratterizzare le componenti stromali con valore predittivo e prognostico partendo da un'ampia raccolta di xenotrapianti derivati ​​​​dal paziente (PDX) per identificare con precisione il contributo dello stroma mediante un'analisi bioinformatica integrata specie-specifica, ulteriormente convalidata in xenotrapianti derivati ​​​​da linee cellulari e campioni tumorali umani. Il confronto con i tumori mesenchimali (MT) consentirà di generalizzare le osservazioni e di selezionare le attività paracrine chiave coinvolte nell'interazione tumore-stroma con un potenziale significato terapeutico. Questi risultati forniranno nuove conoscenze sulla biologia dei CRC e degli MT, migliorando la diagnosi e la gestione clinica.

Settore: BIO11 / Biologia Molecolare

Ente finanziatore: Università di Torino

Partecipanti al progetto: Santina Cutrupi, Giulio Ferrero, Lorenzo Franchitti, Michele De Bortoli

Abstract: Il recettore degli estrogeni (ERɑ) è un fattore di trascrizione chiave nella normale fisiologia del parenchima mammario e nel cancro al seno, per il quale gli ormoni estrogenici sono il principale fattore di crescita. L'espressione di ERɑ nel cancro al seno identifica  specifici sottotipi, luminale  A e B, che sono meno aggressivi e possono essere trattati con farmaci antiestrogenici. Nelle linee cellulari di carcinoma mammario, un saggio di immunoprecipitazione della cromatina seguita da sequenziamento ha permesso di identificare migliaia di siti di legame di ERɑ sulla cromatina, capaci di regolare l'espressione di migliaia di geni codificanti e non codificanti. Poiché ERɑ è attivo anche a bassi livelli ormonali (come dopo la menopausa o durante il trattamento con gli inibitori dell'aromatasi), abbiamo scoperto che ERɑ in assenza di estrogeni regola la trascrizione di molti geni, tra cui diversi RNA non codificanti (Caizzi 2014). Uno di questi, DSCAM-AS1, è espresso solo nel carcinoma mammario luminale e la riduzione della sua espressione nelle cellule ER+ induce morte cellulare. DSCAM-AS1 lega in modo specifico un importante fattore di splicing, hnRNPL, anch’esso coinvolto nei meccanismi di morte cellulare.

Poichè tra i geni codificanti proteine regolati da ERɑ vi sono molte proteine leganti l’RNA, tra le quali i fattori regolatori di splicing coinvolti nella transizione epitelio-mesenchimale ESPR1/2,  stiamo attualmente studiando con approccio trascrittomico i diversi tipi di trascritti nelle linee cellulari di cancro al seno ER+ per capire l’effetto di ERɑ a livello post-trascrizionale. L'analisi di modelli di splicing alternativi, regolati da ERɑ- o DSCAM-AS1-, ESPR1/2- e hnRNPL mostra una regolazione ampia e sovrapposta. Tra i prodotti aberranti trovati, circCDYL, l'RNA circolare più espresso nelle cellule di carcinoma mammario ER+, potrebbe funzionare come sequestratore di proteine che legano gli RNA e come biomarcatore circolante. Stiamo studiando come la regolazione dello splicing alternativo da parte di ERɑ possa modificare la rete di interazione proteina-proteina.

Prodotti della ricerca

Elhasnaoui J, Ferrero G, Miano V, Cutrupi S, De Bortoli M. The Estrogen Receptor α Signaling Pathway Controls Alternative Splicing in the Absence of Ligands in Breast Cancer Cells. Cancers. 2021 Jan;13(24):6261. doi: 10.3390/cancers13246261

Giordano G, Merlini A, Ferrero G, Mesiano G, Fiorino E, Brusco S, Centomo ML, Leuci V, D'Ambrosio L, Aglietta M, Sangiolo D, Grignani G, Pignochino Y. EphA2 Expression in Bone Sarcomas: Bioinformatic Analyses and Preclinical Characterization in Patient-Derived Models of Osteosarcoma, Ewing's Sarcoma and Chondrosarcoma. Cells. 2021 Oct 26;10(11):2893. doi: 10.3390/cells10112893.

Ferrero G, Licheri N, Coscujuela Tarrero L, De Intinis C, Miano V, Calogero RA, Cordero F, De Bortoli M, Beccuti M. Docker4Circ: a framework for the reproducible characterization of circRNAs from RNA-Seq data. International journal of molecular sciences. 2020 Jan;21(1):293.

Guglielmotto M, Reineri S, Iannello A, Ferrero G, Vanzan L, Miano V, Ricci L, Tamagno E, De Bortoli M, Cutrupi S.E2 Regulates Epigenetic Signature on Neuroglobin Enhancer-Promoter in Neuronal Cells. Front Cell Neurosci. 2016 Jun 1;10:147

Caizzi L, Ferrero G, Cutrupi S, Cordero F, Ballaré C, Miano V, Reineri S, Ricci L, Friard O, Testori A, Corà D, Caselle M, Di Croce L, De Bortoli M.Genome-wide activity of unliganded estrogen receptor-α in breast cancer cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014 Apr 1;111(13):4892-7.

Ultimo aggiornamento: 16/02/2022 14:21
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