Gli esseri viventi, dai batteri alle piante fino agli esseri umani, devono costantemente adattare il brodo chimico delle proteine – le molecole del cavallo di battaglia della vita – all’interno delle loro cellule per adattarsi allo stress o alle condizioni mutevoli, come quando i nutrienti scarseggiano o quando un agente patogeno attacca.
Ora, i ricercatori hanno identificato un meccanismo molecolare precedentemente sconosciuto che aiuta a spiegare come lo fanno.
Studiando una pianta esile chiamata Arabidopsis thaliana, un team guidato dalla Duke University ha scoperto brevi frammenti di RNA ripiegato che, in condizioni normali, mantengono bassi i livelli di proteine di difesa per evitare di danneggiare le piante stesse. Ma quando le piante rilevano un agente patogeno, queste strutture ripiegate di RNA vengono aperte, consentendo alle cellule vegetali di produrre proteine di difesa per combattere le infezioni.
Questa scoperta non si applica solo alle piante, hanno notato gli autori nella loro pubblicazione del 6 settembre sulla rivista Natura. Hanno anche scoperto che queste strutture di RNA hanno effetti simili anche sulla produzione di proteine nelle cellule umane.
“È un altro strumento nel nostro kit di strumenti” per controllare la produzione di proteine, ha affermato il professore di biologia della Duke Xinnian Dong, autore senior dello studio.
Nel brodoso interno di ogni cellula del corpo, milioni di molecole proteiche svolgono i compiti della vita: sono l’equivalente cellulare di mattoni e travi, fornendo struttura e supporto. Sono anche i messaggeri chimici della cellula, inviano e ricevono segnali. E sono loro i difensori, schierati in risposta agli invasori stranieri.
Per costruire una proteina, sezioni del modello di DNA racchiuse nel nucleo della cellula vengono trascritte in molecole messaggere chiamate mRNA, che sono istruzioni per produrre proteine. Queste istruzioni vengono trasmesse al resto della cellula, dove dispositivi di decodificazione chiamati ribosomi traducono il messaggio dell’mRNA per assemblare una catena di amminoacidi, gli elementi costitutivi di una proteina.
Normalmente, i ribosomi scansionano lungo la molecola dell’mRNA finché non trovano una speciale sequenza di tre lettere che dice: “inizia da qui per creare una proteina”.
Ma nel nuovo studio, Dong e Yezi Xiang, Ph.D. studente del Dong’s Lab, ha scoperto che, quando un Arabidopsis La piantina rileva un potenziale agente patogeno, i ribosomi della pianta bypassano il consueto segnale di “avvio” per la sintesi proteica e iniziano a tradurre l’mRNA più a valle, costruendo una catena di amminoacidi completamente diversa – e quindi una proteina diversa – necessaria per combattere le infezioni.
Dong e il suo team volevano sapere: come fanno le cellule a passare da un sito di partenza a un altro?
Per comprendere meglio questo rapido processo decisionale cellulare che avviene quando una pianta rileva un invasore, i ricercatori si sono rivolti a una tecnica, chiamata SHAPE-MaP, che consente loro di rilevare i cambiamenti nel ripiegamento dell’mRNA all’interno delle cellule viventi.
Vicino alla consueta “luce verde” che mette in moto la sintesi proteica, i ricercatori hanno scoperto brevi tratti di mRNA che si ripiegano su se stessi per formare strutture “a forcina” a doppio filamento.
In condizioni normali, queste forcine agiscono come freni, impedendo ai ribosomi di produrre proteine di difesa le cui istruzioni si trovano più a valle.
Ma quando Arabidopsis Le piantine sentono di essere sotto attacco, vengono prodotti speciali enzimi chiamati RNA elicasi che aprono le forcine in modo che i ribosomi possano passare e continuare la scansione lungo la molecola di mRNA.
“Una volta rimossi questi segnali di stop, i ribosomi non si fermano lì, ma vanno più in basso per tradurre le proteine di difesa”, ha detto Dong.
Sebbene il team abbia condotto la maggior parte dei propri esperimenti in Arabidopsis piante, elicasi di RNA simili e strutture a forcina sono state trovate in altri organismi, dal lievito all’uomo, suggerendo che questo meccanismo per riprogrammare la sintesi proteica potrebbe essere diffuso.
Negli esperimenti di follow-up, i ricercatori hanno utilizzato l’apprendimento automatico per elaborare un progetto per una forcina di mRNA prodotta in laboratorio e l’hanno aggiunto ai geni umani. Le forcine sintetiche hanno funzionato anche per alterare la produzione di proteine nelle cellule umane.
Il team ha depositato un brevetto provvisorio sulla scoperta.
Dong afferma che i risultati potrebbero portare a nuovi modi per progettare colture che siano “non solo resistenti agli agenti patogeni, ma anche agli stress ambientali come il caldo, il freddo e la siccità”.
In futuro, ha detto Dong, potrebbe anche essere possibile progettare forcine di mRNA per l’editing del genoma per aiutare a combattere le infezioni o curare le malattie nelle persone.
“L’obiettivo è aiutare le cellule a produrre la giusta quantità di proteine al momento giusto e nel posto giusto”, ha detto Dong. “Questo è un passo verso questo obiettivo.”
Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni della US National Science Foundation (IOS-1645589 e IOS-2041378), dell’Howard Hughes Medical Institute, dello State Key Research Development Program of China (2019YFA0110002), della Natural Science Foundation of China (32125007 e 91940306 ) e il National Institutes of Health degli Stati Uniti (R35-GM122532).
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
