Le cellule batteriche devono modulare rapidamente l’espressione dei loro geni per far fronte ai cambiamenti improvvisi dell’ambiente esterno. Tuttavia, la misura in cui alcuni geni possono alterare la loro espressione in risposta ai cambiamenti ambientali, invece di mantenere livelli di espressione stabili, ha a lungo lasciato perplessi gli scienziati. Comprendere il modo in cui i batteri regolano questi diversi processi trascrizionali e le caratteristiche genetiche che ne sono alla base è rimasta una sfida.

In una collaborazione con ricercatori dell'UNC-Chapel Hill, Harvard e dell'Università di Fudan, il ricercatore capo Qingyun Liu, Ph.D., ha deciso di svelare i complessi fattori che governano la risposta trascrizionale nel Mycobacterium tuberculosis (Mtb), il patogeno batterico responsabile della tubercolosi, che rimane la principale causa di morte dovuta a un singolo agente infettivo, con oltre 10,6 milioni di nuovi casi e 1,6 milioni di decessi ogni anno.

Il loro studio, intitolato "La plasticità trascrizionale geneticamente codificata è alla base dell'adattamento allo stress nel Mycobacterium tuberculosis", è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications .

I ricercatori hanno analizzato un set di dati completo comprendente 894 campioni di RNA-Seq derivati ​​da 73 condizioni distinte, generati in studi precedenti e curati dai ricercatori per scopi di meta-analisi.

I ricercatori hanno interrogato la plasticità trascrizionale (TP) di ciascun gene di Mtb, fungendo da proxy per la variabilità dell'espressione genica in risposta ai cambiamenti ambientali. La loro analisi ha rivelato una variazione significativa del TP tra i geni Mtb, correlandola con la funzione e l'essenzialità del gene. Inoltre, hanno scoperto che caratteristiche genetiche critiche, come la lunghezza del gene, il contenuto di GC e la dimensione dell'operone, impongono indipendentemente vincoli sul TP, estendendosi oltre la trans-regolazione.

Ad esempio, i geni con lunghezze più brevi generalmente mostrano un TP più elevato rispetto a quelli con lunghezze maggiori. Inoltre, i geni con i profili TP più bassi sono stati concentrati in un gruppo con contenuto di GC strettamente allineato al livello medio dell'intero genoma (65%).

Liu ha affermato:"Queste caratteristiche, precedentemente non legate alla regolazione trascrizionale nei micobatteri, sono ora riconosciute come fattori che hanno permesso a Mtb di evolversi per modellare il TP dei suoi geni."

Sfruttando le caratteristiche genetiche identificate come contributori al TP, i ricercatori sono stati in grado di prevedere parzialmente i livelli di TP dei geni Mtb utilizzando un modello di apprendimento automatico. Tuttavia, Liu ha sottolineato che, sebbene questo modello sia promettente, non è ancora perfetto nel prevedere i livelli di TP. Ciò suggerisce che potrebbero esserci ancora fattori non identificati che influenzano il TP che richiedono ulteriori indagini.

Estendendo la loro analisi per includere altre due specie di micobatteri, vale a dire M. smegmatis e M. abscessus, i ricercatori hanno dimostrato una sorprendente conservazione del paesaggio TP tra diverse specie di micobatteri, suggerendo un significato evolutivo del TP come strategia adattativa conservata tra i micobatteri.

I ricercatori hanno sottolineato che il TP può ora servire come utile supplemento all’essenzialità e alla vulnerabilità dei geni per comprendere i processi fisiologici dei batteri. Queste informazioni possono aiutare a dare priorità ai geni candidati che possono essere presi di mira per scopi farmaceutici o dissezione meccanicistica.

Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che TP può funzionare come fattore di riferimento per futuri studi trascrizionali, aiutando nell'identificazione di geni espressi in modo differenziale. Ciò sottolinea le implicazioni più ampie del TP nel far progredire la nostra comprensione della regolazione dei geni batterici e dei meccanismi di adattamento.