Variazioni iniziali nelle cellule staminali e salute del sangue

Le Cellule Staminali Ematopoietiche (HSC) sono cellule speciali che producono sangue per tutta la vita di una persona. Con l'età, spesso vediamo un tipo di cambiamento particolare, noto come ematopoiesi clonale (CH), in queste cellule staminali. Questo cambiamento può portare a rischi per la salute, come tumori del sangue e altre malattie. A volte, riusciamo a trovare mutazioni specifiche in queste cellule che spiegano perché crescono più delle altre. Tuttavia, in molti casi, non troviamo motivi identificabili per questi cambiamenti, rendendo difficile capire perché avvengano.

La crescita delle HSC non ha sempre bisogno di mutazioni o cambiamenti forti per essere notata. Le osservazioni mostrano che le dimensioni di questi gruppi di cellule del sangue possono rimanere costanti o crescere lentamente nel tempo. Questa crescita lenta rende difficile capire come e perché avvengano questi cambiamenti, dato che la maggior parte delle cellule che guadagnano un piccolo vantaggio tendono a scomparire invece di prosperare.

Segnali di crescita deboli e dimensioni costanti suggeriscono che alcuni gruppi di HSC possano iniziare a svilupparsi precocemente nella vita, forse anche mentre sono ancora nel grembo materno. Se i cambiamenti precoci portano a CH, può aiutare a rispondere a due importanti domande su questi cambiamenti senza bisogno di trovare mutazioni specifiche. Prima di tutto, secondo le teorie tradizionali dell'evoluzione, le variazioni che hanno piccoli vantaggi possono diventare più comuni in grandi gruppi, specialmente con abbastanza tempo. Questo è vero per le cellule del sangue umane, che hanno una grande popolazione e durano per diversi decenni. Le varianti che si verificano presto hanno il tempo più lungo per diventare prevalenti.

In secondo luogo, le varianti con piccoli vantaggi possono evitare di essere perse durante lo sviluppo poiché tutti i gruppi di HSC tendono a crescere in questo periodo cruciale. Questo tempo prima della nascita offre la migliore possibilità di crescita e stabilità, quindi le HSC con vantaggi lievi che iniziano prima della nascita possono accumularsi a sufficienza per essere viste più avanti nella vita.

La ricerca che coinvolge i gemelli può fare luce su se le variazioni nelle cellule staminali che si verificano prima della nascita portino a CH. Molti gemelli identici (monozigotici, MZ) condividono una placenta e un apporto di sangue mentre si sviluppano, portando a variazioni simili nelle loro HSC alla nascita. Se sorgono differenze in queste cellule dopo la nascita, ci aspetteremmo che la composizione del sangue differisca tra i gemelli MZ più grandi. Tuttavia, se hanno composizioni ematiche simili, allora le variazioni probabilmente sono arrivate prima della nascita.

La ricerca sull'inattivazione del cromosoma X nei gemelli MZ mostra un cambiamento nei rapporti del sangue con l'età, indicando uno sviluppo condiviso. Tuttavia, qualsiasi mutazione driver di solito non corrisponde tra i gemelli MZ, suggerendo che queste mutazioni compaiono dopo la nascita e che i gemelli MZ non sono predisposti a mutazioni specifiche.

Proponiamo che i cambiamenti nelle cellule staminali avvengano durante il loro sviluppo, causando piccole differenze che possono portare a CH più tardi. Questa idea può essere testata usando gemelli MZ e marcatori che mostrano cambiamenti di lignaggio che appaiono prima della nascita. Anche se le mutazioni nelle cellule potrebbero contrassegnare questi gruppi, poche si verificano appena prima della nascita, rendendole difficili da identificare tra quelle che avvengono dopo. Un approccio alternativo è guardare alla Metilazione del DNA, che può cambiare rapidamente in siti specifici. Questo metodo consente ai ricercatori di monitorare le variazioni nelle HSC per tutta la vita senza confusione.

I nostri studi mostrano che i cambiamenti nei modelli di metilazione mostrano spesso forti somiglianze nel sangue dei gemelli MZ più grandi rispetto a individui non correlati o gemelli fraterni. Abbiamo costruito un modello che esamina come le HSC cambiano nel corso della vita, mostrando che le variazioni che appaiono prima della nascita possono portare a crescita e diventare più comuni in seguito.

#Studio delle dinamiche clonali delle HSC

Per indagare come cambiano le HSC nel corso della vita di una persona, abbiamo utilizzato dati disponibili sulla metilazione del DNA. Abbiamo raccolto profili di metilazione da vari individui, focalizzandoci su gemelli MZ, gemelli fraterni (dizigotici, DZ) e individui non correlati. I dati coprono età da quasi alla nascita fino a 86 anni. Abbiamo calcolato quanto fossero simili i modelli di metilazione tra gli individui utilizzando il coefficiente di correlazione di Pearson, che aiuta a valutare la loro relazione.

Nel caso dei gemelli MZ, c'era una variazione significativa nelle somiglianze alla nascita, con alcune coppie che mostravano connessioni molto più forti di altre. La variabilità nasce dal fatto che il momento delle separazioni durante le fasi iniziali dello sviluppo può portare a diversi tipi di gemelli. Coloro che avevano una correlazione iniziale più alta probabilmente hanno condiviso un apporto di sangue più a lungo rispetto a quelli la cui crescita si è separata prima.

Con l'età, le somiglianze nella loro composizione ematica clonale tendono a diminuire. I gemelli MZ hanno mostrato la maggiore variazione nei profili di metilazione nella vita successiva, spesso variando significativamente da punteggi di correlazione molto bassi a molto alti. Noto, dopo i 65 anni, abbiamo visto un calo più netto nella relazione, suggerendo una significativa perdita di diversità nelle HSC a questa età.

#Creazione di un modello matematico delle dinamiche delle HSC

Per approfondire le dinamiche dell'ematopoiesi clonale, abbiamo sviluppato un modello matematico che tiene traccia dei cambiamenti nelle HSC nel tempo, concentrandoci su singoli siti CpG all'interno delle cellule. Il nostro modello esplora come la popolazione di HSC cresce dalla fase embrionale fino all'età adulta e oltre.

Nel nostro modello, siamo partiti da un piccolo numero di HSC, che poi è cresciuto in dimensioni nel tempo. Ogni cellula mantiene un certo numero di siti di metilazione fluttuanti, ciascuno dei quali può essere non metilato, parzialmente metilato o completamente metilato. Abbiamo modellato come questi cambiamenti avvengono attraverso eventi casuali e come la dimensione della popolazione rimanga costante dalla nascita fino alla vecchiaia.

Durante la fase di sviluppo, la popolazione di HSC deve aumentare abbastanza per supportare la produzione di sangue al momento della nascita. I nostri risultati suggeriscono che i modelli di crescita costanti possono spiegare le variazioni nei profili di metilazione osservate alla nascita, in particolare nei gemelli MZ.

Per questi gemelli, abbiamo modellato la crescita delle cellule condivise durante lo sviluppo iniziale prima della separazione, permettendoci di vedere come il loro apporto di sangue condiviso possa influenzare le loro HSC. La variazione nella crescita dello sviluppo può spiegare le differenze nei profili di metilazione osservati tra gemelli MZ e individui non correlati alla nascita.

#Selezione debole e dinamiche clonali

Per esplorare ulteriormente come la selezione influisce sulle dinamiche delle HSC, abbiamo esaminato diversi modelli: nessuna selezione, selezione debole e selezione forte. Nel modello senza selezione, tutti i cloni hanno pari possibilità di crescere, portando a variazioni che divergono troppo rapidamente dai dati. Questo modello spesso ha portato a basse somiglianze tra gli individui.

Nel modello di selezione debole, le varianti che sorgono durante lo sviluppo possono ancora godere di crescita clonale e evitare la perdita casuale. Anche se queste varianti iniziano a basse frequenze, l'aspettativa di vita umana prolungata consente a questi lievi vantaggi di manifestarsi nel tempo. Le nostre simulazioni indicano che le coppie MZ mantengono somiglianze evidenti nella loro composizione HSC per tutta la vita, senza cloni specifici che dominano.

Al contrario, quando applichiamo un modello di selezione forte, abbiamo trovato casi in cui una variante cresce rapidamente rispetto alle altre, portando a una significativa perdita di diversità. In questo scenario, i cloni tenderebbero a diventare eccessivamente simili, risultando in punteggi di correlazione più bassi tra gli individui.

Abbiamo anche osservato casi in cui due o più varianti forti potrebbero emergere, ma a causa di differenze nella crescita iniziale, diventerebbero dominanti in diversi gemelli, portando a ulteriori divergenze.

#Confrontare gemelli MZ, gemelli DZ e individui non correlati

Esaminando le dinamiche delle HSC tra vari gruppi, abbiamo trovato che la crescita nel corso della vita dei gemelli MZ mostrava spesso forti somiglianze nella loro composizione clonale, mentre i gemelli DZ e gli individui non correlati mostravano più divergenza. Il modello suggerisce che sia i gemelli DZ che gli individui non correlati potrebbero mostrare dinamiche di selezione neutra o debole, con la selezione debole che fornisce una spiegazione migliore per i dati rispetto a nessuna selezione.

Analizzando 100 coppie di ciascun gruppo, abbiamo notato che i gemelli MZ avevano le dinamiche più simili grazie al loro sviluppo condiviso precoce. La differenza tra i gruppi ha portato a risultati diversi, fornendo una comprensione più chiara di come queste dinamiche differiscano in base alle loro storie di sviluppo iniziali.

#Conclusioni

Abbiamo stabilito che le variazioni delle HSC derivanti dalla fase fetale possono influenzare la composizione delle cellule del sangue molti anni dopo. La nostra ricerca ha utilizzato la metilazione del DNA fluttuante come strumento per tracciare questi cambiamenti, permettendoci di visualizzare come variazioni precoci possano portare a risultati evidenti nell'età adulta.

Utilizzando studi sui gemelli, abbiamo dimostrato che un certo livello di variazione nelle HSC è necessario prima della nascita, il che gioca un ruolo cruciale nel plasmare le dinamiche clonali degli individui nel corso delle loro vite. Attraverso i nostri modelli matematici, abbiamo rivelato che le varianti debolmente selettive presenti durante lo sviluppo possono migliorare l'espansione clonale, spiegando come questo porti a una maggiore visibilità dell'ematopoiesi clonale man mano che gli individui invecchiano.

Questo lavoro apre nuove possibilità per comprendere il ruolo delle variazioni precoci delle HSC nell'invecchiamento normale e il loro potenziale impatto su rischi per la salute come le espansioni clonali e le malattie correlate. Ulteriori studi focalizzati sui gemelli MZ, specialmente le generazioni più anziane, potrebbero aiutare a individuare i fattori che contribuiscono a queste dinamiche e alle loro implicazioni per la salute nel tempo.

Combinando variazioni precoci nelle cellule staminali con un lungo processo di selezione in un grande pool, potremmo iniziare a capire perché le espansioni clonali siano così comuni man mano che le persone invecchiano. Comprendere questi meccanismi può aprire la strada a nuove intuizioni sui disturbi del sangue e sul processo di invecchiamento.