Il gene sintetico aiuta a spiegare i misteri della trascrizione tra le specie

La nuova scoperta ruota attorno al processo mediante il quale le istruzioni genetiche del DNA vengono convertite prima in un materiale correlato chiamato RNA e poi in proteine ​​che costituiscono le strutture e i segnali del corpo. Nel lievito, nei topi e negli esseri umani, il primo passo nell’espressione di un gene, la trascrizione, procede mentre le “lettere” molecolari del DNA (nucleobasi) vengono lette in una direzione. Mentre l’80% del genoma umano – l’insieme completo del DNA nelle nostre cellule – è attivamente decodificato in RNA, meno del 2% codifica effettivamente per i geni che dirigono la costruzione delle proteine.

Un mistero di lunga data nella genomica quindi è ciò che sta realizzando tutta questa trascrizione non correlata ai geni. È solo rumore, un effetto collaterale dell’evoluzione o ha delle funzioni?

Un gruppo di ricerca della NYU Langone Health ha cercato di rispondere alla domanda creando un grande gene sintetico, con il codice del DNA in ordine inverso rispetto al suo genitore naturale. Poi hanno inserito il gene sintetico nelle cellule staminali di lievito e di topo e hanno osservato i livelli di trascrizione in ciascuna. Pubblicato online il 6 marzo sulla rivista Natura, il nuovo studio rivela che nel lievito il sistema genetico è impostato in modo tale che quasi tutti i geni vengono continuamente trascritti, mentre lo stesso “stato predefinito” nelle cellule dei mammiferi è che la trascrizione è disattivata.

È interessante notare, affermano gli autori dello studio, che l’ordine inverso del codice significava che tutti i meccanismi che si sono evoluti nelle cellule di lievito e di mammifero per attivare o disattivare la trascrizione erano assenti perché il codice invertito non aveva senso. Come un’immagine speculare, tuttavia, il codice invertito rifletteva alcuni modelli di base visti nel codice naturale in termini di frequenza con cui erano presenti le lettere del DNA, a cosa si avvicinavano e quanto spesso venivano ripetute. Con il codice invertito lungo 100.000 lettere molecolari, il team ha scoperto che includeva in modo casuale molti piccoli tratti di codice precedentemente sconosciuto che probabilmente avviavano la trascrizione molto più spesso nel lievito e la fermavano nelle cellule dei mammiferi.

“Comprendere le differenze di trascrizione predefinite tra le specie ci aiuterà a capire meglio quali parti del codice genetico hanno funzioni e quali sono incidenti dell’evoluzione”, hanno affermato l’autore corrispondente Jef Boeke, PhD, Sol e Judith Bergstein, direttore dell’Institute for Systems Genetics. presso la New York University Langone Health. “Ciò a sua volta promette di guidare l’ingegneria del lievito per produrre nuovi farmaci, o creare nuove terapie genetiche, o anche per aiutarci a trovare nuovi geni sepolti nel vasto codice.”

Il lavoro rafforza la teoria secondo cui lo stato trascrizionale molto attivo del lievito è impostato in modo tale che il DNA estraneo, raramente iniettato nel lievito, ad esempio da un virus mentre si copia, è probabile che venga trascritto nell’RNA. Se quell’RNA costruisce una proteina con una funzione utile, il codice verrà preservato dall’evoluzione come un nuovo gene. A differenza di un organismo unicellulare nel lievito, che può permettersi nuovi geni rischiosi che guidano un’evoluzione più rapida, le cellule dei mammiferi, come parte di corpi con milioni di cellule cooperanti, sono meno libere di incorporare nuovo DNA ogni volta che una cellula incontra un virus. Molti meccanismi normativi proteggono il codice delicatamente equilibrato così com’è.

Grande DNA

Il nuovo studio ha dovuto tenere conto delle dimensioni delle catene del DNA, con 3 miliardi di “lettere” incluse nel genoma umano e alcuni geni lunghi 2 milioni di lettere. Mentre le tecniche più famose consentono di apportare modifiche lettera per lettera, alcuni compiti di ingegneria sono più efficienti se i ricercatori costruiscono il DNA da zero, con modifiche di vasta portata apportate in ampie porzioni di codice preassemblato scambiate in una cellula al posto della sua controparte naturale. Poiché i geni umani sono così complessi, il laboratorio di Boeke ha prima sviluppato il suo approccio di “scrittura del genoma” nel lievito, ma poi lo ha recentemente adattato al codice genetico dei mammiferi. Gli autori dello studio utilizzano cellule di lievito per assemblare lunghe sequenze di DNA in un unico passaggio e poi trasferirle nelle cellule staminali embrionali di topo.

Per il presente studio, il gruppo di ricerca ha affrontato la questione su quanto sia pervasiva la trascrizione attraverso l’evoluzione introducendo un tratto sintetico di 101 kilobasi di DNA ingegnerizzato – il gene umano ipoxantina fosforibosil transferasi 1 (HPRT1) in ordine di codifica inversa. Hanno osservato un’attività diffusa del gene nel lievito nonostante la mancanza nel codice senza senso dei promotori, frammenti di DNA che si sono evoluti per segnalare l’inizio della trascrizione.

Inoltre, il team ha identificato piccole sequenze nel codice invertito, tratti ripetuti di elementi costitutivi di adenosina e timina, noti per essere riconosciuti dai fattori di trascrizione, proteine ​​che si legano al DNA per avviare la trascrizione. Lunghe solo da 5 a 15 lettere, tali sequenze potrebbero facilmente verificarsi in modo casuale e potrebbero in parte spiegare lo stato predefinito molto attivo del lievito, hanno detto gli autori.

Al contrario, lo stesso codice invertito, inserite nel genoma di cellule staminali embrionali di topo, non hanno causato una trascrizione diffusa. In questo scenario, la trascrizione è stata repressa anche se i dinucleotidi CpG evoluti, noti per disattivare attivamente (silenziare) i geni, non erano funzionali nel codice invertito. Il team ipotizza che altri elementi di base nel genoma dei mammiferi possano limitare la trascrizione molto più che nel lievito, e forse reclutando direttamente un gruppo proteico (il complesso polycomb) noto per silenziare i geni.

“Più ci avviciniamo all’introduzione di un DNA senza senso ‘del valore del genoma’ nelle cellule viventi, meglio potranno confrontarlo con il genoma reale ed evoluto”, ha detto il primo autore Brendan Camellato, uno studente laureato nel laboratorio di Boeke. “Questo potrebbe portarci a una nuova frontiera delle terapie cellulari ingegnerizzate, poiché la capacità di inserire DNA sintetici sempre più lunghi consente una migliore comprensione di quali inserimenti i genomi tollereranno e forse l’inclusione di uno o più geni ingegnerizzati più grandi, completi”.

Insieme a Boeke e Camellato, gli autori dello studio NYU Langone erano Ran Brosh, Hannah Ashe e Matthew Maurano. Lo studio è stato finanziato dal Dipartimento della salute e dei servizi umani degli Stati Uniti e dal finanziamento 1RM1HG009491 del National Human Genome Research Institute (NHGRI).