Il nobel per l’interferenza dell’RNA


    Per il decimo anno consecutivo il prestigioso premio Nobel per la medicina e la fisiologia va nelle mani di ricercatori statunitensi: Andrew Fire, della Stanford University School of Medicine, e Craig Mello, della Harvard University.

    I due biologi molecolari vengono premiati per aver scoperto uno dei meccanismi fondamentali per il controllo dell’informazione genetica.

    [inline: 1= Immagine - 1 - Andrew Fire e Craig Mello] Immagine - 1 - Andrew Fire e Craig Mello, i due vincitori del Premio Nobel 2006 per la Medicina e la Fisiologia.

    Perché è importante?

    Il ruolo fondamentale del nostro genoma è quello di impartire le istruzioni per la costruzione delle proteine, i costituenti fondamentali che permettono a ogni cellula di svilupparsi e vivere.

    Il dogma fondamentale della biologia molecolare (Immagine 1) descrive il flusso delle informazioni che parte dal DNA nel nucleo cellulare e si concretizza nella sintesi proteica all’interno del citoplasma, passando per un intermedio basilare: l’RNA messaggero (mRNA).

    Dunque i geni presenti nel nostro DNA codificano le molecole di RNA che diventeranno le proteine necessarie per costruire ogni nostra cellula.

    Il Progetto Genoma Umano ha individuato approssimativamente 30.000 geni.

    Ma la domanda sorge spontanea: se tutte le cellule del mio corpo hanno lo stesso DNA, e quindi gli stessi geni, come mai le cellule della pelle hanno caratteristiche completamente diverse da quelle dei capelli?

    Che cosa differenzia tipi cellulari diversi?

    Per quanto abbiamo detto sopra, è evidente che la differenza deve risiedere nei prodotti finali: nelle proteine.

    [inline: 2= Immagine - 2 - Rappresentazione schematica del dogma centrale della genetica] Immagine - 2 - Rappresentazione schematica del dogma centrale della genetica: il flusso delle informazioni parte dalla sequenza del DNA, passa attraverso l’intermedio di RNA messaggero e arriva alla sintesi finale delle proteine

    È dunque intuibile la presenza di uno o più meccanismi di controllo e di regolazione che intervengono in punti specifici del flusso delle informazioni dal gene alla proteina: lo scopo è quello di creare un esercito di prodotti proteici caratteristico per ogni tipo cellulare, permettendo ad alcuni geni di esprimersi e tacitandone altri.

    Il processo che sta alla base di questa diversificazione prende il nome di differenziamento cellulare: i tipi cellulari di un organismo complesso si differenziano l’uno dall’altro perché sintetizzano e accumulano serie diverse di molecole di RNA e proteine, senza alterare la sequenza del loro DNA.

    Molti processi sono comuni a tutte le cellule: replicazione, divisione e metabolismo richiedono lo stesso gruppo di proteine che, quindi, sono presenti in tutte le cellule.

    La differenza la fanno altre proteine, altamente specializzate, presenti in alcune cellule e non in altre: l’emoglobina, per esempio, è presente solamente nei globuli rossi.

    È stato stimato che una tipica cellula eucariotica superiore sintetizza da 10.000 a 20.000 proteine diverse.

    È dunque sufficiente una piccola difformità nella composizione proteica per creare eterogeneità molto grandi nella morfologia e nel comportamento delle cellule.

    La scoperta

    Nel 1998 gli scienziati Fire e Mello hanno scoperto uno dei più importanti meccanismi di controllo dell’espressione genica studiando il nematode C. elegans: l’mRNA di alcuni specifici geni poteva essere degradato rendendo impossibile l’espressione del gene corrispondente.

    Questo meccanismo venne chiamato interferenza dell’RNA (in inglese RNA interference, RNAi).

    Come tutte le scoperte più famose, anche quella dell’RNAi avvenne per caso e per piccoli passi: alcuni ricercatori stavano svolgendo esperimenti sulla produzione di fiori di Petunia con una colorazione più vivace introducendo, in alcuni esemplari, copie aggiuntive di un determinato gene noto per codificare un enzima che interviene nella colorazione dei petali.

    Inspiegabilmente, alcune piantine transgeniche, invece di essere più colorate, presentavano fiori assolutamente incolori.

    Studi più approfonditi rivelarono che tutte le copie di quel determinato gene erano state soppresse.

    Anni dopo, lo stesso fenomeno venne osservato da alcuni virologi vegetali intenti nello studio dei meccanismi di resistenza delle piante ai virus.

    Queste osservazioni preliminari gettarono le basi per molte ricerche sul processo molecolare del silenziamento genico.

    Ispirati da questi primi risultati, Fire e Mello iniettarono in C. elegans molecole di RNA messaggero prodotte da un particolare gene responsabile della formazione di una proteina muscolare, responsabile di un cambiamento nel comportamento del verme.

    Negli esperimenti preliminari dei due biologi venivano iniettate separatamente le sequenze degli RNA messaggeri "senso" o "antisenso", cioè aventi la sequenza corrispondente o complementare a quella del gene in questione.

    In entrambi i casi non ottennero risultati.

    La scoperta interessante avvenne in seguito all’iniezione di entrambe le sequenze di mRNA (senso e antisenso): il nematode presentava movimenti caratteristici, tipici degli esemplari nei quali il gene codificante la proteina muscolare veniva completamente soppresso.

    [inline: 3= Immagine - 3 - Schema dell’esperimento condotto da Fire e Mello sul nematode C. elegans] Immagine - 3 - Schema dell’esperimento condotto da Fire e Mello sul nematode C. elegans

    Quando le sequenze di RNA senso e antisenso si trovano nello stesso ambiente si appaiano per complementarietà di basi formando un RNA a doppio filamento (in inglese double-stranded RNA, dsRNA).

    L’ipotesi dei due scienziati si è rivelata da Nobel: le molecole di dsRNA sono in grado di rendere silente il gene che porta la loro stessa sequenza.

    Gli esperimenti successivi non fecero che confermare la scoperta: utilizzando RNA a doppio filamento con sequenze specifiche è possibile interferire con l’espressione di determinati geni rendendoli silenti.

    Era inoltre evidente l’andamento catalitico del meccanismo in quanto era sufficiente iniettare piccole quantità di dsRNA per ottenere un effetto.

    Fire e Mello pubblicarono questi primi interessantissimi risultati sulla prestigiosa rivista Nature nel febbraio del 1998.

    La loro scoperta fece luce su molti esperimenti sul flusso dell’informazione genetica che avevano creato non poca confusione nella comunità scientifica, ponendo le basi per un nuovo promettente filone di ricerca.

    Il meccanismo molecolare

    Il funzionamento a livello microbiologico venne identificato negli anni successivi.

    Un complesso proteico chiamato Dicer si lega e scinde l’RNA a doppio filamento per produrre piccoli frammenti di dsRNA lunghi 20-25 paia di basi.

    Questi frammenti vengono chiamati siRNA (dall’inglese small-interfering RNA); successivamente queste molecole vengono rese a singolo filamento da un enzima specifico, ed entrano a far parte di un complesso multiproteico chiamato RISC (dall’inglese RNA-induced silencing complex) che funge da sonda per individuare le molecole di mRNA.

    I frammenti a singolo filamento di RNA sono ora in grado di legarsi a specifici RNA messaggeri per complementarietà di basi, e distruggerli.

    Il risultato è l’interruzione del flusso dell’informazione del gene che ha prodotto l’mRNA: la sequenza genica è divenuta, pertanto, silente non producendo alcuna proteina.

    [inline: 4= Immagine - 4 - Meccanismo d’azione dell’interferenza a RNA] Immagine - 4 - Meccanismo d’azione dell’interferenza a RNA

    Le origini biologiche dell’RNAi

    Il meccanismo dell’RNAi si è sviluppato in natura probabilmente per intervenire nella risposta immunitaria contro i virus, principalmente nel regno vegetale.

    Molti agenti patogeni, infatti, hanno un codice genetico organizzato in RNA a doppio filamento.

    Durante l’infezione, questi virus iniettano il loro genoma nella cellula bersaglio: i dsRNA virali vengono immediatamente riconosciuti dal complesso Dicer; successivamente viene attivato RISC che degrada l’RNA virale permettendo alla cellula di sopravvivere all’infezione.

    Un altro ruolo fondamentale che l’RNAi ha in natura è la protezione dai trasposoni, sequenze di DNA che possono saltare da una punto all’altro del genoma.

    Questi "geni ballerini" sono presenti in tutti gli organismi e possono provocare danni anche gravi nel momento in cui si inseriscono in punti sbagliati: possono infatti interrompere sequenze di geni fondamentali che, conseguentemente, non funzionano più.

    Il meccanismo d’azione di molti trasposoni prevede un passaggio di riproduzione complementare della loro sequenza in un RNA che può andare ad inserirsi in qualunque punto del genoma.

    Alcune di queste molecole di RNA sono a doppio filamento e sono dunque il bersaglio ideale per l’RNAi.

    È da notare che il meccanismo dell’interferenza dell’RNA ha mantenuto le sue caratteristiche durante l’evoluzione degli eucarioti, anche se ha acquisito anche altre funzioni, confermando il ruolo assolutamente fondamentale di questo processo.

    Anche nell’uomo è presente il controllo dell’espressione genica attraverso l’RNAi. Gran parte dei nostri geni trasmettono la loro sequenza formando piccole molecole di RNA chiamate microRNA.

    Queste possono appaiarsi per complementarietà di basi diventando a doppio filamento e attivando di conseguenza la macchina dell’interferenza dell’RNA: le molecole codificate vengono distrutte e le proteine corrispondenti non vengono prodotte.

    Ne risulta che questi geni diventano silenti non codificando per nessun prodotto proteico. Questo stretto meccanismo di controllo gioca un ruolo fondamentale nello sviluppo di ogni organismo e nel controllo delle funzioni cellulari.

    Nuove prospettive nella terapia medica

    L’RNAi apre interessanti prospettive nel campo della tecnologia genetica: le molecole di RNA a doppio filamento possono essere utilizzate nella terapia farmacologica come repressori di geni essenziali per la sopravvivenza di molti agenti patogeni.

    Ma ancora più allettanti sono le aspettative nel settore della terapia genica: da momento che l’interferenza dell’RNA non si verifica direttamente sul DNA, ma solo sulla sua copia (mRNA), potrebbero essere scavalcati tutti i problemi legati all’etica.

    Nella terapia genica per curare malattie ereditarie anche gravi non si interverrebbe più sul codice genetico dell’individuo: l’intervento non comporterebbe la sostituzione in blocco del gene malato, ma la distruzione del suo intermedio di RNA, bloccando la produzione della proteina responsabile della disfunzione.

    Interrompendo il flusso dell’informazione "malata" si interverrebbe pertanto in modo etico e queste terapie farmacologiche sarebbero considerate alla stregua dei medicinali attualmente in commercio. Proprio per questo motivo le industrie farmaceutiche e biotecnologiche stanno investendo molto sulle terapie basate sull’RNAi.

    Sitografia

    The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2006 - for their discovery of RNA interference - gene silencing by double-stranded RNA http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2006/

    Nature www.nature.com

    NewScientist www.newscientist.com

    Stanford University School of Medicine http://med.stanford.edu/

    Harvard University www.harvard.edu



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