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L'integrità del DNA cellulare è costantemente minacciata da agenti che danneggiano il DNA, prevalentemente sottoprodotti metabolici come le specie reattive dell'ossigeno, che infliggono decine di migliaia di lesioni al DNA per cellula al giorno. Il mantenimento persistente della stabilità del genoma è essenziale per l'omeostasi cellulare 2,3. La pietra angolare di questo mantenimento è la risposta al danno del DNA (DDR), una rete di segnalazione intricata e stratificata che avvia specifici percorsi di riparazione del DNA regolando attentamente molti altri processi cellulari 4,5. I deficit nella DDR si manifestano comunemente come "sindromi da instabilità del genoma", caratterizzate da instabilità cromosomica, progressivo deterioramento dei tessuti, crescita o sviluppo alterati, predisposizione al cancro e maggiore sensibilità a particolari agenti dannosi per il DNA 6,7,8,9. In particolare, la neurodegenerazione, che spesso include l'atrofia cerebellare, è una caratteristica distintiva di molte sindromi da instabilità genomica 7,10,11,12.
La malattia autosomica recessiva, atassia-teleangectasia (A-T), è un esempio ben documentato di disturbo da instabilità genomica 13,14,15. Questa condizione deriva da mutazioni nulle nel gene ATM (A-T, mutato), responsabile della codifica della proteina chinasi cardine, ATM, che è nota principalmente come mobilizzatore DDR in risposta alle rotture del doppio filamento del DNA (DSB)16,17. L'A-T si manifesta come una malattia multisistemica, caratterizzata prevalentemente da progressiva degenerazione cerebellare, che porta a disabilità motorie acute, immunodeficienza, atrofia gonadica, predisposizione al cancro ed estrema sensibilità alle radiazioni ionizzanti. Le cellule in coltura di individui con A-T mostrano instabilità cromosomica e una maggiore sensibilità agli agenti genotossici, in particolare quelli che causano DSB 15,18,19. È importante sottolineare che l'ATM svolge anche un ruolo nella riparazione di altre lesioni del DNA, sottolineando la sua ampia importanza nel mantenimento della stabilità del genoma 20,21,22.
Nonostante la ricerca approfondita sui numerosi ruoli dell'ATM, il meccanismo specifico che porta alla degenerazione cerebellare nell'A-T rimane un argomento di dibattito attivo, con vari modelli proposti per chiarire questo processo 23,24,25,26,27,28,29,30. Il nostro modello28 suggerisce che la degenerazione cerebellare nei pazienti con A-T inizia con la disfunzione e l'eventuale perdita di cellule di Purkinje (PC). Considerando il ruolo critico dell'ATM nel preservare la stabilità del genoma di fronte a continui danni al DNA, i PC sono particolarmente vulnerabili all'assenza di ATM. Attribuiamo questa vulnerabilità alla combinazione della loro elevata attività metabolica, della caratteristica struttura della cromatina e dell'estesa attività trascrizionale. In definitiva, si suggerisce che la perdita della funzione PC, e quindi la loro degenerazione, sia dovuta all'inattivazione stocastica e funzionale dei geni, una conseguenza della produzione di trascritti difettosi28.
Lo studio della biologia del PC in laboratorio è ostacolato dalle sfide nella coltivazione di PC isolati, poiché queste cellule dipendono fortemente dal loro ambiente naturale e dalle cellule vicine per la sopravvivenza e la funzione, rendendole incompatibili con la crescita dissociata della coltura. Ciononostante, i PC possono rimanere vitali per lunghi periodi nelle colture di fette di tessuto. Le colture organotipiche cerebellari, che sono fette di tessuto tipicamente derivate dalla cerebella dei roditori, mantengono l'organizzazione strutturale del tessuto e supportano varie manipolazioni sperimentali analoghe a quelle possibili con le cellule in coltura. Pertanto, queste colture consentono studi cerebellari in un ambiente controllato 31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43. In particolare, nel contesto dell'A-T, le colture organotipiche cerebellari murine si sono dimostrate strumentali nell'esplorazione della DDR nei PC con deficit di Atm 40,41,42,43. Mentre i topi carenti di ATM mostrano solo un fenotipo cerebellare sottile 44,45,46,47, presumibilmente a causa delle differenze tra la fisiologia cerebellare umana e quella del topo, l'ipotesi è che i ruoli di ATM siano in gran parte conservati in queste specie. Questa nozione è supportata dalle nostre osservazioni che la risposta carente ai DSB del DNA nei PC murini Atm-/- si allinea con quella osservata in altri tipi di cellule murine e umane con deficit di ATM/Atm 40,41,42,43.
Un limite nell'analisi delle risposte del PC a vari stimoli o stress all'interno di colture organotipiche è la necessità di fare affidamento sull'imaging microscopico per le letture. La DDR viene solitamente studiata utilizzando letture biochimiche di massa, sebbene vengano utilizzati anche comuni marcatori immunofluorescenti, come seguire le dinamiche di formazione e risoluzione dei focolai nucleari dell'istone fosforilato H2AX (γH2AX) e della proteina 53BP1, che sono considerati indicatori di DSB48,49. Una misura più ampia è l'imaging fluorescente della formazione di catene di poli(ADP-ribosio) (PAR) sulle proteine, una risposta rapida e robusta al danno precoce del DNA, in particolare alle rotture del filamento 7,50. Abbiamo modificato il protocollo di Komulainen et al.51 per la colorazione PAR in colture organotipiche cerebellari. Abbiamo osservato una pronunciata risposta PAR in nuclei considerevoli di PC. Viene presentato qui il nostro protocollo perfezionato per stabilire colture organotipiche cerebellari murine e per visualizzare la risposta PAR sotto stress genotossico.