Gli esseri umani possiedono sei forme della proteina actina, che svolgono funzioni essenziali nell'organismo. Due in particolare, -actina e -actina, sono quasi identici, differiscono solo per quattro amminoacidi. Eppure queste proteine ​​quasi gemelle svolgono ruoli distinti. Una domanda di vecchia data per i biologi è stata, com'è possibile?

"È un mistero che è stato dibattuto sul campo negli ultimi 40 anni, " ha detto Anna Kashina, un professore di biochimica presso la University of Pennsylvania School of Veterinary Medicine.

Nuove scoperte di Kashina e colleghi hanno indicato una risposta sorprendente. Le diverse funzioni di queste proteine ​​sono determinate non dalle loro sequenze di amminoacidi ma dal loro codice genetico.

"Ci piace chiamarlo il 'codice silenzioso, '" ha detto Kashina. "I nostri risultati mostrano che le parti dei geni che pensiamo siano silenziose in realtà codificano informazioni funzionali molto chiave".

I ricercatori hanno scoperto che queste differenze "silenziose" nella sequenza nucleotidica sembrano influenzare la densità dei ribosomi, le macchine molecolari che traducono l'RNA in proteine. Tali differenze possono consentire a ogni singola forma di actina di assumere un ruolo diverso nella cellula.

Kashina è stata coautrice del lavoro, pubblicato sulla rivista eLife , con Pavan Vedula di Penn Vet, Satoshi Kurosaka, Nicolae Adrian Leu, Junling Wang, Stephanie Sterling e Dawei Dong e Yuri I. Wolf e Svetlana A. Shabalina del National Institutes of Health.

L'actina è così onnipresente ed essenziale che è conosciuta come una "proteina delle pulizie". È la proteina più abbondante nella maggior parte delle cellule, e le sue diverse forme giocano un ruolo durante la migrazione cellulare, contrazione e sviluppo muscolare. Per un periodo, gli scienziati pensavano che le diverse forme fossero funzionalmente ridondanti, esistenti solo per fungere da backup nel caso in cui un modulo avesse un difetto.

Più recentemente, i ricercatori hanno capito che i moduli non sono ridondanti; alcuni si localizzano in diverse parti delle cellule, alcuni sono incorporati in diverse parti del citoscheletro. E quando queste proteine ​​vengono manomesse, anche gli esiti sono diversi.

Quando manca la -actina, Per esempio, i topi muoiono in una fase iniziale dello sviluppo embrionale. Ma i topi privi di -actina, sebbene tipicamente più piccolo del normale e sordo, può sopravvivere fino all'età adulta.

In un rapporto del 2010 su Science, Il gruppo di Kashina ha fatto un passo verso la comprensione di ciò che determina queste differenze. Osservando una modificazione proteica che normalmente esiste solo nella -actina, hanno scoperto che il motivo per cui non era presente anche sulla -actina era dovuto alle variazioni nella sequenza codificante tra i due geni dell'actina.

"Volevamo costruire su questo, "Kashina ha detto, "e decise di testare l'ipotesi, 'E se le loro differenze funzionali non avessero nulla a che fare con la loro sequenza di amminoacidi? e se fosse tutto nei geni?'"

I ricercatori hanno sfruttato l'editing genetico di precisione reso possibile dal sistema CRISPR/Cas-9. Mentre le due isoforme di actina differiscono solo per quattro amminoacidi, le loro sequenze di codifica dell'mRNA differiscono di quasi il 13% a causa di differenze nucleotidiche "silenti" che tuttavia codificano per gli stessi amminoacidi. Apportare modifiche solo a cinque nucleotidi nel gene -actina, sono stati in grado di trasformarlo in modo che la sua produzione di aminoacidi fosse esattamente la stessa della proteina -actina. Tutto ciò che lo distinguerebbe sarebbero le sostituzioni nucleotidiche silenziose.

L'editing genetico ha funzionato. I topi con queste modifiche non avevano la proteina -actina. Ma a differenza dei veri knockout per la -actina, erano completamente sani e vitali, proprio come se possedessero le giuste proporzioni delle proteine ​​-actina e γ-actina. Sono sopravvissuti per riprodursi e hanno avuto in media le stesse dimensioni della cucciolata degli animali normali.

I ricercatori hanno eseguito lo stesso esperimento, modificando il gene γ-actina per codificare la proteina -actina, ma sono stati in grado di modificare solo la sequenza codificante per tre dei quattro amminoacidi. Ancora, anche i topi soggetti a questa sostituzione parziale apparivano normali e sani, nonostante la mancanza della proteina -actina.

Negli esperimenti successivi, Il team di Kashina ha scoperto che le proteine ​​-actina prodotte dal gene modificato -actina formavano un normale citoscheletro e consentivano alle cellule di migrare in modo normale.

"Se solo la sequenza nucleotidica è importante per la funzione proteica, quindi ai topi non dovrebbe importare che proteine ​​hanno, " Kashina ha detto. "E ai topi non importava."

Arrivare a un meccanismo per come la sequenza del DNA potrebbe influenzare la funzione delle proteine, i ricercatori hanno scoperto che la densità dei ribosomi sull'RNA di -actina è più di mille volte superiore rispetto all'RNA di -actina, e infatti tutti e sei i geni dell'actina avevano differenze nella densità dei ribosomi.

"Questo suggerisce che la -actina potrebbe tradursi in proteine ​​forse mille volte più velocemente della γ-actina, " ha detto Kashina.

E curioso di sapere quanto possa essere diffuso questo fenomeno, i ricercatori hanno cercato famiglie di proteine ​​con membri quasi identici codificati da geni diversi e con variazioni significative nella densità dei ribosomi in tutta la famiglia. Hanno trovato molti gruppi condivisi tra topi, zebrafish e genomi umani.

"Pensiamo che questa forma di regolazione funzionale sia un fenomeno globale, "Kashina ha detto, ed è uno di quelli che il suo laboratorio continuerà a indagare.