Gli scienziati decifrano le misteriose regole del DNA nascoste nelle specie

Un nuovo studio rivela che nei funghi unicellulari il lievito è “casuale”. DNA“Naturalmente attivo, mentre nelle cellule dei mammiferi questo DNA è spento come nel suo stato naturale nelle cellule dei mammiferi, nonostante abbia un antenato comune un miliardo di anni fa e lo stesso meccanismo molecolare di base.

La nuova scoperta ruota attorno al processo mediante il quale le istruzioni genetiche del DNA vengono prima convertite in una sostanza correlata chiamata… RNA E poi alle proteine ​​che compongono le strutture e i segnali dell'organismo. Nel lievito, nei topi e nell'uomo avviene la prima fase dell'espressione genetica, la trascrizione, in cui le “lettere” molecolari del DNA (nucleobasi) vengono lette in una direzione. Sebbene l’80% del genoma umano – l’intero insieme di DNA nelle nostre cellule – sia effettivamente decodificato in RNA, meno del 2% di esso codifica effettivamente per i geni che dirigono la costruzione delle proteine.

Un mistero di vecchia data nella genomica è ciò che riesce a realizzare tutta questa trascrizione non correlata al gene. È solo rumore, un effetto collaterale dell'evoluzione o ha delle funzioni?

Un gruppo di ricerca della NYU Langone Health ha cercato di rispondere a questa domanda creando un grande gene sintetico, con il codice del DNA in ordine inverso rispetto al suo genitore naturale. Hanno poi inserito geni sintetici nelle cellule staminali di lievito e di topo e hanno monitorato i livelli di trascrizione in ciascuna di esse. Pubblicato sulla rivista natura, Il nuovo studio rivela che nel lievito il sistema genetico è sintonizzato in modo tale che quasi tutti i geni vengono trascritti continuamente, mentre nelle cellule dei mammiferi lo stesso “stato predefinito” è quello di disattivare la trascrizione.

Metodologia e risultati

È interessante notare che, dicono gli autori dello studio, l'ordine inverso del codice significava che tutti i meccanismi che si sono evoluti nelle cellule di lievito e di mammifero per attivare o disattivare la trascrizione erano assenti perché il codice inverso non aveva senso. Tuttavia, come un’immagine speculare, il codice invertito riflette alcuni dei modelli di base che appaiono nel codice naturale in termini di frequenza con cui sono presenti le lettere del DNA, a cosa sono vicine e quanto spesso si ripetono. Poiché il codice inverso è lungo 100.000 lettere molecolari, il team ha scoperto che includeva in modo casuale molti piccoli tratti di codice precedentemente sconosciuto che probabilmente avviavano la trascrizione più frequentemente nel lievito e la fermavano nelle cellule di mammifero.

“Comprendere le differenze tra le versioni virtuali Classificare “La genetica ci aiuterà a capire meglio quali parti del codice genetico hanno funzioni e quali sono gli incidenti evolutivi”, ha affermato l'autore corrispondente Jeff Buckey, Ph.D., direttore del Genetics Institute presso la NYU Langone Health. “Questo, a sua volta, promette di guidare l’ingegneria del lievito per produrre nuovi farmaci, creare nuove terapie genetiche o persino per aiutarci a trovare nuovi geni sepolti nell’enorme codice”.

Questo lavoro dà peso alla teoria secondo cui lo stato trascrizionale molto attivo del lievito è così preciso che il DNA estraneo viene raramente iniettato nel lievito, ad esempio da virus Poiché copia se stesso, è più probabile che venga trascritto in RNA. Se questo RNA costruisce una proteina con una funzione utile, il codice verrà preservato attraverso l’evoluzione come un nuovo gene. A differenza dell’organismo unicellulare del lievito, che può permettersi nuovi geni rischiosi che guidano l’evoluzione più velocemente, le cellule dei mammiferi, come parte di corpi contenenti milioni di cellule cooperanti, sono meno libere di incorporare nuovo DNA ogni volta che la cellula incontra un virus. Diversi meccanismi normativi proteggono il codice attentamente bilanciato così com’è.

Grande DNA

Il nuovo studio ha dovuto tenere conto delle dimensioni dei filamenti di DNA, poiché nel genoma umano ci sono 3 miliardi di “lettere” e alcuni geni sono lunghi 2 milioni di lettere. Mentre le tecniche più diffuse consentono di apportare modifiche lettera per lettera, alcuni compiti di ingegneria sono più efficienti se i ricercatori costruiscono il DNA da zero, apportando modifiche di vasta portata ad ampie porzioni di codice precompilato e sostituendolo in una cella anziché nella sua controparte naturale. Poiché i geni umani sono così complessi, il laboratorio di Bucky ha sviluppato per primo l'approccio della “scrittura del genoma” nel lievito, ma recentemente lo ha adattato al codice genetico dei mammiferi. Gli autori dello studio utilizzano cellule di lievito per assemblare lunghe sequenze di DNA in un unico passaggio, quindi trasferirle nelle cellule staminali embrionali di topo.

Per il presente studio, il gruppo di ricerca ha affrontato la questione dell’entità della diffusione trascrizionale nel corso dell’evoluzione introducendo un tratto sintetico di 101 kilobasi di DNA ingegnerizzato: il gene umano dell’ipoxantina fosforibosiltransferasi 1 (HPRT1) in ordine di codifica inversa. Hanno osservato un'attività diffusa del gene nel lievito nonostante la mancanza di un codice senza senso per i promotori, frammenti di DNA che si sono evoluti per segnalare l'inizio della trascrizione.

Inoltre, il team ha identificato piccole sequenze nel codice inverso, tratti ripetitivi di elementi costitutivi di adenosina e timina, che sono noti per essere riconosciuti dai fattori di trascrizione, che sono proteine ​​che si legano al DNA per avviare la trascrizione. Tali sequenze, lunghe solo da 5 a 15 lettere, possono facilmente verificarsi in modo casuale e potrebbero in parte spiegare lo stato predefinito altamente attivo del lievito, hanno detto gli autori.

Al contrario, lo stesso simbolo invertito, Inserito nel genoma delle cellule staminali embrionali di topo, non ha causato una trascrizione estesa. In questo scenario, la trascrizione veniva repressa anche se i dinucleotidi CpG avanzati, noti per fermare (silenziare) i geni, non erano efficaci nel codice inverso. Il team ritiene che altri elementi essenziali nel genoma dei mammiferi possano limitare la trascrizione molto più che nel lievito, forse reclutando direttamente un complesso proteico (il complesso multi-CD) noto per il silenziamento genico.

“Più ci avviciniamo all'introduzione del 'valore genomico' del DNA senza senso nelle cellule viventi, meglio potranno confrontarlo con il genoma reale in evoluzione”, ha affermato il primo autore Brendan Camillato, uno studente laureato nel laboratorio di Buckey. “Questo potrebbe portarci a nuove frontiere nelle terapie cellulari ingegnerizzate, poiché la capacità di inserire DNA sintetico sempre più lungo consente una migliore comprensione di ciò che i genomi inseriti tollereranno e potenzialmente l’inclusione di uno o più geni più grandi e completamente ingegnerizzati. “

Riferimento: “Le sequenze sintetiche invertite rivelano presunti stati genomici” di Brendan R. Camellato, Ran Brosh e Hannah J. Ash e Matthew T. Morano e Jeff D. Bucky, 6 marzo 2024, natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2