Le molecole di RNA messaggero contengono informazioni genetiche e quindi controllano la sintesi delle proteine ​​nelle cellule viventi. I biochimici dell'Università di Bayreuth e dell'Università di Bonn hanno ora scoperto un modo per regolare questo processo che è fondamentale per l'espressione genica:alcuni actinobatteri contengono una proteina che lega le molecole di RNA sotto la luce blu e può quindi disattivarle. In linea di principio, è quindi possibile attivare e disattivare la sintesi proteica controllata dall'RNA tramite la luce, non solo nei batteri ma anche nelle cellule di mammifero e persino umane. I risultati pubblicati in Natura chimica biologia sono la base per un nuovo campo di ricerca:l'optoribogenetica.

Da un po 'di tempo, segnali luminosi sono stati usati per alterare la trascrizione dell'informazione genetica, e di conseguenza la sintesi proteica diretta dalle molecole di RNA (acido ribonucleico), a livello del DNA. Questo approccio fa parte dell'optogenetica ed è ora un metodo consolidato di biologia molecolare e cellulare. Però, il nuovo studio mostra ora per la prima volta un meccanismo mediante il quale l'interazione tra RNA e proteine ​​specifiche può essere influenzata dalla luce. L'espressione genica nei batteri può quindi essere controllata direttamente a livello delle molecole di RNA.

I ricercatori guidati dal Prof. Dr. Andreas Möglich a Bayreuth e dal Prof. Dr. Günter Mayer a Bonn hanno dimostrato che questo meccanismo può essere trasferito alle cellule di mammifero. "Nei prossimi anni, estenderemo la regolazione controllata dalla luce a vari processi cellulari che coinvolgono l'RNA. Gli strumenti risultanti, che fino ad oggi non erano disponibili, farà avanzare notevolmente lo studio dei processi cellulari centrali. La pietra miliare per l'optoribogenetica, un nuovo complemento all'optogenetica, ora è stato posato, " afferma il Prof. Dr. Andreas Möglich.

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Il punto di partenza del lavoro di ricerca è stata la ricerca di una proteina fotorecettore batterica in grado di modificare il proprio comportamento di legame in relazione all'RNA sotto l'influenza della luce. Gli scienziati hanno cercato nei database di sequenze esistenti e hanno trovato quello che stavano cercando. I batteri della specie Nakamurella multipartita contengono una proteina con una cospicua architettura tripartita:tre diverse sezioni o "domini" denominate "PAS, " "ANTAR" e "LOV, " sono disposti uno dopo l'altro in una sequenza insolita.

Come è stato dimostrato in collaborazione con il gruppo di ricerca del Prof. Dr. Robert Bittl presso la Freie Universität Berlin, il dominio del fotosensore LOV reagisce alla luce blu e trasmette i segnali al dominio ANTAR. Il dominio ANTAR cambia quindi la sua struttura in modo che le molecole di RNA siano legate e quindi rese inaccessibili:non sono più disponibili per l'espressione genica e le informazioni genetiche in esse contenute non sono più utilizzate per la sintesi delle proteine.

Solo quando l'irradiazione della luce blu cessa, e il dominio ANTAR ritorna alla sua struttura normale, l'interazione con l'RNA si interrompe. Ora l'RNA diventa di nuovo attivo. I ricercatori hanno prima stabilito e dimostrato questo processo utilizzando aptameri di RNA. Queste sono piccole molecole di RNA con una struttura a forcina che possono entrare nella struttura del dominio ANTAR, che si apre sotto la luce blu, e sono vincolato lì. Mayer:"Gli aptamer funzionano in modo modulare:possono essere collegati ad altre unità come un sistema a blocchi."

Gli scienziati hanno anche testato il loro nuovo approccio di ricerca sulle cellule eucariotiche in cui avevano precedentemente introdotto la proteina batterica e gli aptameri dell'RNA. In queste cellule, pure, i cambiamenti strutturali innescati dalla luce blu portano a molecole di RNA messaggero che si legano alla proteina e, in questo stato, sospendendo l'espressione genica. "Ora abbiamo un interruttore della luce con cui l'attività cellulare di diverse molecole di RNA può essere attivata e disattivata in modo specifico, " spiega il Prof. Dr. Günter Mayer dell'Istituto LIMES dell'Università di Bonn.

Il suo collega di Bayreuth, Prof. Dott. Andreas Möglich, aggiunge:"L'approccio al controllo regolato dalla luce può in linea di principio essere trasferito a numerosi altri processi basati sull'RNA, come l'elaborazione di micro-RNA e il fenomeno associato del silenziamento genico." In studi successivi, i due scienziati ei loro gruppi di ricerca sperano di studiare la misura in cui il meccanismo appena scoperto può essere utilizzato in organismi modello per controllare l'espressione genica e altri processi.