Aaron Robart, professore assistente, Scuola di Medicina WVU, Dipartimento di Biochimica. Credito:Aira Burkhart/West Virginia University
Circa il 70 percento del genoma umano non codifica nulla. Quando viene trascritto nell'RNA, le istruzioni che seguono le nostre cellule quando producono proteine, la maggior parte del messaggio non contiene alcuna informazione utile. Come ha affermato il ricercatore della West Virginia University Aaron Robart, è "DNA spazzatura".
Robart sta studiando come le cellule catalizzano la rimozione di questa spazzatura non codificante per dare un senso all'RNA che rimane. Per farlo, userà i batteri che prosperano nelle sorgenti termali. Il National Institutes of Health gli ha assegnato 1,6 milioni di dollari per il progetto quinquennale.
Le sue scoperte potrebbero approfondire ciò che sappiamo sui disturbi legati alle alterazioni dell'espressione genica, come il diabete e il cancro, e rivelare di più sull'evoluzione del genoma umano.
Conoscere i nostri antenati batterici
"Si pensa che la vita sulla terra abbia avuto origine dall'RNA catalitico, "disse Robart, un assistente professore di biochimica presso la Facoltà di Medicina. "Prima che esistessero le proteine, prima che ci fosse il DNA, prima che ci fossero le cellule, L'RNA si stava ripiegando in complessi, strutture tridimensionali e capire la chimica della vita."
Questo processo primitivo è ancora alla base del modo in cui le cellule portano ordine all'RNA codificante e non codificante oggi, se quelle cellule fanno parte di un essere umano, una iena, un'ortensia o un batterio Helicobacter. Esaminando come gli organismi semplici svolgono questo compito, scienziati come Robart possono estrapolare le loro scoperte e capire meglio come le forme di vita più complesse, inclusi noi, lo fanno, pure.
Mappando strutture cristalline come questa, gli scienziati possono comprendere meglio i processi biochimici che rendono possibile la vita. Aaron Robart, un assistente professore presso il Dipartimento di Biochimica della Scuola di Medicina, ha ricevuto 1,6 milioni di dollari dal National Institutes of Health per studiare la biochimica e la cristallografia che sono alla base dello splicing dell'RNA. L'RNA è il modello di lavoro che le cellule seguono mentre eseguono le istruzioni codificate nel DNA. Lo splicing dell'RNA forma istruzioni coerenti per la sintesi proteica, ma può anche portare a cambiamenti dannosi nell'espressione genica. Credito:Aira Burkhart/West Virginia University
"Nelle tue cellule, Il DNA è la tua copia principale. È trascritto in un progetto funzionante di RNA, e quindi l'RNA viene utilizzato come istruzioni per produrre proteine. L'unico problema è, le istruzioni sono un po' confuse. Gli esoni sono frammenti di RNA che leggono come istruzioni per produrre proteine. Però, sono spesso interrotti da introni non codificanti, " ha detto Robart.
Paragona il processo a un gatto che cammina sulla tastiera mentre digiti qualcosa. Le parole che hai digitato sono esoni; l'assurdità che il tuo gatto "tipizza" sono gli introni.
Prima che le tue cellule possano anche solo provare a fare ciò che l'RNA dice loro, devono rimuovere questi introni e riunire gli esoni per formare un insieme coerente di istruzioni. Un'elaborata macchina molecolare chiamata spliceosoma svolge questo compito, che, negli esseri umani, coinvolge molti RNA diversi e centinaia di proteine.
Gli introni catalitici primitivi dei batteri funzionano in modo simile ai nostri macchinari di giunzione, anche se in modo meno complicato. Sono gli antenati degli spliceosomi al lavoro nelle nostre stesse cellule. "Vedi le loro impronte digitali su tutti i macchinari essenziali che guidano le nostre funzioni cellulari. Usiamo questi fossili molecolari per darci informazioni sul nucleo catalitico che alimenta queste macchine, " ha detto Robart.
Un improbabile proxy per le cellule umane:i batteri delle sorgenti calde
Robart utilizzerà una specie di esotico, batteri amanti del calore come modello. La specie è vantaggiosa perché produce enzimi altamente attivi e stabili che uniscono e riconfigurano l'RNA.
"Abbiamo passato circa un anno e mezzo a testare dozzine di esempi diversi per trovare alcune specie che avevano proteine modificabili alla purificazione da sistemi di sovraespressione ad alti livelli, perché abbiamo bisogno di molte proteine per cercare di fare la cristallizzazione, " ha detto. "Abbiamo scoperto uno degli enzimi più attivi in questa classe, da un batterio termofilo che prospera nelle sorgenti termali."
Dopo aver coltivato e isolato proteine e RNA in grandi volumi, lui e il suo team analizzeranno i processi biochimici che si verificano all'interno delle cellule quando gli introni vengono uniti, rilasciato e smontato. Controlleranno anche a distanza l'Advanced Photon Source dell'Argonne National Laboratory, che sottoporrà le molecole cristallizzate a un effetto ultra brillante, raggi X ad alta energia:per catturare istantanee della chimica del processo in azione e conoscere i meccanismi molecolari alla base.
Robart e il suo team non solo acquisiranno informazioni su come lo spliceosoma asporta l'RNA non codificante, ma capiranno anche come si propaga il DNA spazzatura inserendolo altrove nel genoma. è come se, invece di eliminare il gobbledygook che il tuo gatto ha inserito nel tuo documento, lo copi e incolli in un altro paragrafo.
Questo processo, chiamato retrotrasposizione, può essere alla base di varie condizioni che derivano da mutazioni genetiche. "È una funzione trainante dell'evoluzione del genoma e anche della malattia, " ha detto Robart. "Le mutazioni spontanee derivano da questi processi che sono in corso in noi tutto il tempo".
Sebbene il suo progetto non affronti nessuna singola malattia o trattamento, ciò che scopre potrebbe gettare le basi per lo sviluppo di terapie a base di RNA volte a controllare i cambiamenti sottostanti nell'espressione genica riscontrati in molte malattie.
"Stiamo cercando di capire i fondamenti, " ha detto Robart. "Non puoi cercare di aggiustare qualcosa finché non capisci come funziona."
