Gli introni sono forse uno dei più grandi misteri del nostro genoma. Sono sequenze di DNA che interrompono le informazioni sensibili di codifica delle proteine ​​nei tuoi geni e devono essere "assemblate". Il genoma umano ha centinaia di migliaia di introni, circa 7 o 8 per gene, e ciascuno viene rimosso da un complesso proteico specializzato di RNA chiamato "spliceosoma" che taglia fuori tutti gli introni e unisce insieme le restanti sequenze codificanti, chiamate esoni. Non è noto come questo sistema di geni rotti e lo spliceosoma si siano evoluti nei nostri genomi.

Nel corso della sua lunga carriera, Manny Ares, illustre professore di biologia molecolare, cellulare e dello sviluppo dell'UC Santa Cruz, ha fatto della sua missione imparare quanto più possibile sullo splicing dell'RNA.

"Io sono tutto concentrato sullo spliceosoma", ha detto Ares. "Voglio solo sapere tutto quello che fa lo spliceosoma, anche se non so perché lo fa."

In un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Genes and Development , Ares riferisce di una sorprendente scoperta sullo spliceosoma che potrebbe dirci di più sull'evoluzione delle diverse specie e sul modo in cui le cellule si sono adattate allo strano problema degli introni. Gli autori mostrano che dopo che lo spliceosoma ha finito di giuntare l'mRNA, rimane attivo e può impegnarsi in ulteriori reazioni con gli introni rimossi.

Questa scoperta fornisce l'indicazione più forte che abbiamo finora che gli spliceosomi potrebbero essere in grado di reinserire un introne nel genoma in un'altra posizione. Si tratta di un'abilità che in precedenza non si credeva possedessero, ma che è una caratteristica comune degli introni del "gruppo II", lontani cugini dello spliceosoma che esistono principalmente nei batteri.

Si ritiene che lo spliceosoma e gli introni del Gruppo II condividano un antenato comune responsabile della diffusione degli introni in tutto il genoma, ma mentre gli introni del Gruppo II possono separarsi dall'RNA e poi rientrare direttamente nel DNA, gli "introni spliceosomiali" che si trovano nel la maggior parte degli organismi di livello superiore richiedono lo spliceosoma per lo splicing e non si credeva che venissero reinseriti nel DNA. Tuttavia, le scoperte del laboratorio di Ares indicano che lo spliceosoma potrebbe ancora oggi reinserire gli introni nel genoma. Si tratta di una possibilità interessante da considerare perché gli introni reintrodotti nel DNA aggiungono complessità al genoma e comprendere meglio la provenienza di questi introni potrebbe aiutarci a comprendere meglio come gli organismi continuano ad evolversi.

Basarsi su una scoperta interessante

I geni di un organismo sono costituiti da DNA, in cui quattro basi, adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T) sono ordinate in sequenze che codificano per istruzioni biologiche, ad esempio come produrre proteine ​​specifiche nel corpo. esigenze. Prima che queste istruzioni possano essere lette, il DNA viene copiato nell'RNA mediante un processo noto come trascrizione, quindi gli introni nell'RNA devono essere rimossi prima che un ribosoma possa tradurlo in proteine ​​vere e proprie.

Lo spliceosoma rimuove gli introni utilizzando un processo in due fasi che fa sì che l'RNA dell'introne abbia una delle sue estremità unita al centro, formando un cerchio con una coda che assomiglia al "lariat" o al lazo di un cowboy. Questa apparizione li ha portati a essere chiamati "introni lariat". Recentemente, i ricercatori della Brown University che stavano studiando le posizioni dei siti di unione in questi lariati hanno fatto una strana osservazione:alcuni introni erano in realtà circolari anziché a forma di lariat.

Questa osservazione attirò immediatamente l'attenzione di Ares. Qualcosa sembrava interagire con gli introni lariat dopo che erano stati rimossi dalla sequenza dell'RNA per cambiare la loro forma, e lo spliceosoma era il suo principale sospettato.

"Ho pensato che fosse interessante a causa di questa vecchia, vecchia idea sulla provenienza degli introni", ha detto Ares. "Ci sono molte prove che le parti di RNA dello spliceosoma, gli snRNA, sono strettamente correlate agli introni del Gruppo II."

Poiché il meccanismo chimico per lo splicing è molto simile tra gli spliceosomi e i loro lontani cugini, gli introni del Gruppo II, molti ricercatori hanno teorizzato che quando il processo di auto-splicing diventa troppo inefficiente perché gli introni del Gruppo II possano completarsi da soli in modo affidabile, parti dello questi introni si sono evoluti per diventare lo spliceosoma. Mentre gli introni del gruppo II erano in grado di reinserirsi direttamente nel DNA, tuttavia, non si pensava che gli introni spliceosomiali che richiedevano l'aiuto degli spliceosomi potessero essere reinseriti nel DNA.

"Una delle domande che mancava in questa storia nella mia mente era:è possibile che lo spliceosoma moderno sia ancora in grado di prendere un introne lariat e inserirlo da qualche parte nel genoma?" disse Ares. "È ancora in grado di fare ciò che faceva il complesso ancestrale?"

Per iniziare a rispondere a questa domanda, Ares ha deciso di indagare se fosse davvero lo spliceosoma a apportare modifiche agli introni lariat per rimuovere loro la coda. Il suo laboratorio ha rallentato il processo di splicing nelle cellule di lievito e ha scoperto che dopo che lo spliceosoma ha rilasciato l'mRNA da cui aveva finito di splicing degli introni, si è aggrappato ai lacci degli introni e li ha rimodellati in veri e propri cerchi. Il laboratorio Ares è stato in grado di rianalizzare i dati pubblicati sul sequenziamento dell'RNA di cellule umane e ha scoperto che anche gli spliceosomi umani avevano questa capacità.

"Siamo entusiasti di questo perché, anche se non sappiamo cosa potrebbe fare questo RNA circolare, il fatto che lo spliceosoma sia ancora attivo suggerisce che potrebbe essere in grado di catalizzare l'inserimento dell'introne lariat nel genoma", ha detto Ares.

Se lo spliceosoma fosse in grado di reinserire l'introne nel DNA, ciò aggiungerebbe un peso significativo alla teoria secondo cui gli spliceosomi e gli introni del Gruppo II condividevano un antenato comune molto tempo fa.

Verificare una teoria

Ora che Ares e il suo laboratorio hanno dimostrato che lo spliceosoma ha la capacità catalitica di ricollocare ipoteticamente gli introni nel DNA come facevano i loro antenati, il passo successivo è che i ricercatori creino una situazione artificiale in cui "alimentano" un filamento di DNA a un spliceosoma che è ancora attaccato a un introne lariat e vedere se riescono effettivamente a convincerlo a inserire l'introne da qualche parte, il che rappresenterebbe una "prova di concetto" per questa teoria.

Se lo spliceosoma è in grado di reinserire gli introni nel genoma, è probabile che si tratti di un evento molto raro negli esseri umani, perché gli spliceosomi umani sono incredibilmente richiesti e quindi non hanno molto tempo da trascorrere con gli introni rimossi. In altri organismi in cui lo spliceosoma non è così occupato, tuttavia, il reinserimento degli introni può essere più frequente. Ares sta lavorando a stretto contatto con il professore di ingegneria biomolecolare dell'UCSC Russ Corbett-Detig, che ha recentemente condotto una ricerca sistematica ed esaustiva di nuovi introni nei genomi disponibili di tutte le specie contenenti introni, pubblicata sulla rivista Proceedings of the National Academy delle Scienze (PNAS ) l'anno scorso.

L'articolo pubblicato su PNAS ha dimostrato che eventi di "esplosione" di introni molto indietro nella storia dell'evoluzione probabilmente hanno introdotto migliaia di introni in un genoma tutti in una volta. Ares e Corbett-Detig stanno ora lavorando per ricreare artificialmente un evento scoppiato, che fornirebbe loro informazioni su come i genomi hanno reagito quando ciò è accaduto.

Ares ha affermato che la sua collaborazione interdisciplinare con Corbett-Detig ha aperto loro le porte per approfondire alcuni dei più grandi misteri sugli introni che sarebbe probabilmente impossibile per loro comprendere appieno senza le loro competenze combinate.

"È il modo migliore per fare le cose", ha detto Ares. "Quando trovi qualcuno che ha in mente lo stesso tipo di domande ma un diverso insieme di metodi, prospettive, pregiudizi e idee strane, la cosa diventa più emozionante. Ti fa sentire come se potessi uscire e risolvere un problema come questo, il che è molto complesso."