Alla scoperta del braccio destro del DNA

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E’ una molecola fondamentale che codifica e controlla l’espressione genica, intervenendo nella regolazione di numerose risposte cellulari e processi vitali. Di cosa parliamo? Piccolo aiuto è una parola di tre lettere… La risposta è l’RNA. È proprio al “braccio destro” del DNA che la prestigiosa rivista Science ha deciso di dedicare un numero speciale.

Oltre alla trascrizione c’è di più

Nel 1957 il premio Nobel Francis Crick aveva proposto: “un gene, una proteina”. Con il conseguente flusso di informazione che fluisce in maniera unidirezionale dalla molecola che possiede l'informazione genetica (il DNA), scritto nel linguaggio degli acidi nucleici, alle molecole che lo trascrivono e lo traducono (l'RNA) nel linguaggio degli amminoacidi, alle proteine che sono costituite appunto da amminoacidi e lo rendono funzionale alla vita della cellula.
Nell'ambito del dogma centrale della biologia le molecole dell'RNA sono poche e hanno funzioni lineari: c'è l'RNA, chiamato messaggero, che copia l'informazione genetica e la porta ai ribosomi, la fabbrica della proteine, dove un altro RNA, chiamato transfer, lo traduce nel linguaggio degli amminoacidi.
Questo dogma è stato messo in discussione a partire dall'anno 2000, quando il Consorzio internazionale Fantom 3 ha dimostrato che il numero di diversi RNA in una cellula di mammifero è molto superiore a quello che si credeva: ce ne sono, addirittura, 180.000 tipi diversi. E che la funzione degli RNA non è limitata solo a quella di messaggero e di traduttore, ma è molto più variegata e complessa. La metà dei 180.000 RNA identificati non serve per produrre proteine, ma assolve ad altri compiti, alcuni noti, come il coordinamento dello stesso DNA.
A distanza di dieci anni dal progetto Fantom 3 Science fa il punto sulle ultime novità e scoperte con protagonista l’RNA. Si passa dai piccoli microRNA non codificanti, che sono regolatori di espressione genica nelle cellule staminali dei mammiferi, ai processi di metilazione che coinvolgono gli mRNA nei processi epigenetici, fino alle ultime ricerche che vedono l’RNA come possibile chiave per nuove terapie.

Dalle malattie neurodegenerative alle cellule staminali: il ruolo dei micro-RNA

I micro-RNA sono piccole molecole di RNA non codificante scoperte nel 1993 studiando alcune specie di vermi. 

Costituiscono una grande famiglia di geni regolatori, formata da piccole molecole di RNA, a singolo filamento, di circa 22 nucleotidi, non codificanti per proteine, abbondantemente espressi nelle piante e negli animali. Il primo microRNA scoperto è stato lin-4, identificato da Gary Ruvkun in C. elegans.
Oggi si stima che essi rappresentino tra 1%-5% dei geni nei mammiferi; infatti, centinaia di microRNA sono stati identificati e più di mille sono stati predetti con metodi computazionali. Contrariamente a quanto si pensava in passato, non tutti i microRna si comportano come molecole stabili nella cellula, alcuni di questi, sono infatti detti “fast” e si degradano molto più rapidamente, nel giro di poche ore. Queste diverse modalità di degradazione sono associate a precisi aspetti biologici, quali il contesto o il tessuto in cui la cellula vive e quindi anche a diversi processi cellulari, come la proliferazione o il differenziamento.
Recenti studi indicano poi che i microRNA giocano un ruolo determinante nella regolazione delle cellule staminali reprimendo la traduzione di specifici mRNA. Partiamo proprio da queste ricerche. Il segno distintivo di una cellula staminale sta nella sua capacità di auto-rinnovarsi e di produrre numerose cellule differenziate. Questa proprietà unica è controllata da interazioni dinamiche tra pathway cellulari, epigenetica e modifiche post-trascrizionali.
La funzione dei microRNA è proprio quella di bloccare la produzione delle proteine chiave del differenziamento cellulare, anche se l’RNA di queste proteine è già presente nelle cellule staminali embrionali. I microRNA sono come una “frizione” della macchina biologica che controlla la “partenza” del differenziamento cellulare nell’embrione. Le cellule staminali embrionali hanno quindi la marcia innestata e sono pronte a partire con il programma differenziativo. Questo ruolo è stato dimostrato nelle cellule staminali embrionali, in quelle germinali e nelle svariate cellule staminali di molti tessuti.
Questi risultati rivelano una nuova dimensione di regolazione genica nel controllare il destino e il comportamento delle cellule staminali.

Un altro campo di studio degli miRNA è quello diagnostico.

Molte ricerche hanno infatti evidenziato come la presenza di miRNA-7, un tipo di miRNA circolante rinvenuto nel plasma, permetta di distinguere i pazienti malati di Alzheimer dai pazienti sani con un’accuratezza del 95%. Un altro studio, questa volta inerente al morbo di Parkinson, ha invece analizzato il profilo di espressione di cellule mononucleate presenti nel sangue periferico di 19 pazienti e 13 controlli, rilevando 18 miRNA sottoespressi nei malati. Sono stati inoltre rilevate modificazioni significative nell’espressione dei micro-RNA miR-1, miR-22-5p e miR-29 nei pazienti malati di Parkinson rispetto ai soggetti sani. Questi incoraggianti risultati aprono la strada all’utilizzo dei miRNA come biomarker nella diagnosi di malattie neurodegenerative.
Ma di microRNA se ne parla anche come possibile nuova arma per bloccare i tumori.
Nei tessuti sani i microRNA sono connessi in reti e differenti tipi cellulari possiedono differenti connessioni di rete. Nel cancro è verosimile che le normali interazioni di rete siano danneggiate o alterate, contribuendo alla malattia. Il confronto fra reti di microRNA nei tessuti sani e carcerosi ha portato a trovare svariati casi in cui le reti apparivano riprogrammate dal cancro, e in alcune situazioni estreme gruppi di microRNA uscivano del tutto da queste rete. L’idea di un social network di miRNA offre una strategia alternativa al silenziamento di singoli geni nell'individuazione di quelli correlati allo sviluppo dei tumori.

L’epigenetica passa anche per l’RNA

Noto soprattutto per il suo ruolo come messaggero che si occupa di trasferire le informazioni genetiche dal DNA alle "fabbriche" di proteine all'esterno del nucleo cellulare, l'RNA si sta rivelando sempre più importante nell’epigenetica. Attualmente sono noti due tipi di RNA "epigenetico", si tratta di frammenti di RNA molto piccoli, detti RNA interferenti (siRNA), e frammenti molto grandi non codificanti (ncRNA). I siRNA partecipano alla definizione di una configurazione "chiusa" in alcuni punti del genoma, soprattutto nelle sequenze di DNA ripetute nei centromeri, e altrove. Per quanto riguarda i ncRNA, alcuni di essi hanno un ruolo nello stabilire una configurazione "aperta" in determinate aree del genoma, mentre altri sono responsabili della configurazione "chiusa", in aree specifiche o anche in un intero cromosoma. Vi sono esempi in cui, per la trasmissione della memoria della configurazione "aperta" o "chiusa" attraverso la divisione cellulare, è necessaria una produzione continua di uno di questi RNA. Quindi in questa veste gli RNA possono essere considerati segnali epigenetici.

Dall’RNA interference ai vaccini il futuro della medicina è a singola elica

Le ricerche sull’RNA sottolineano la versatilità strutturale e funzionale di questa molecola. Questa versatilità è proprio alla base dello sviluppo di nuovi agenti terapeutici basati sull'RNA per un'ampia varietà di applicazioni mediche.
Molti pazienti si stanno sottoponendo a trial clinici con mRNA per combattere il cancro, i piccoli RNA interference sono poi sotto i riflettori per sperimentazioni farmacologiche per la cura di malattie renali ed epatiche. Ma nelle ultime settimane si è parlato di RNA anche nello sviluppo dei vaccini. Nello specifico di un vaccino universale contro il cancro che ha conquistato le pagine di tutti giornali. Gli scienziati dell’Università Johannes Gutenberg che si occupano di questo progetto hanno testato il vaccino, negli ultimi anni, su animali come topolini affetti da vari tipi di cancro per poi ripetere tali test su tre pazienti che hanno tutti e tre un melanoma in stato avanzato.

È stato scelto l’RNA perché è una molecola di dimensioni più piccole rispetto a quella del DNA per cui può essere trasportata dai lipidi che una volta raggiunta la cellula bersaglio sarà tradotta in una proteina antigenica tumorale.

Vi sarebbe, inoltre, anche la possibilità di poter utilizzare più molecole di RNA possibili che possono essere tradotte in diverse proteine specifiche per ogni tipo di tumore. I vaccini a RNA, rappresenterebbero quindi una potenziale strategia futura per combattere i tumori.

Poteva mancare CRISPR? Ma certamente no, sfruttando un meccanismo di difesa sviluppato dai batteri per difendersi dall'attacco dei virus, Feng Zhang ha elaborato una nuova versione della tecnica Crispr, chiamata C2c2, capace di manipolare l'RNA.

A differenza della Crispr “tradizionale”, la versione della tecnica applicata all'RNA, non va a modificare il codice genetico, ma solo la catena di istruzioni che si trova più a valle.
Grazie alla nuova tecnica saranno molte le possibili applicazioni, ad esempio rendere le molecole di RNA 'fluorescenti' per poter seguire in dettaglio tutte le attività delle cellule oppure per modificare temporaneamente la produzione delle proteine.

Terminiamo questo breve viaggio nel mondo dell’RNA con un passo indietro, un passo indietro agli albori della vita sulla Terra. L'ipotesi del "mondo a RNA", avanzata per la prima volta nel 1986 in un articolo su Nature da Walter Gilbert, sostiene che le prime fasi di evoluzione molecolare abbiano riguardato l'RNA e non le proteine e il DNA, che sarebbero emersi solo in seguito. Un ipotesi controversa che trova però conferma delle ultime ricerche della Ludwig-Maximilians- Univerisität di Monaco. In un articolo su Science Thomas Carell ha dimostrato infatti la formazione spontanea delle basi azotate che compongono l’RNA a partire da semplici ingredienti, gli stessi che la missione Rosetta, ha trovato anche sulla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko.

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