Incontri ravvicinati tra regioni distanti del DNA provocano esplosioni di attività genetica

L’espressione genica è un processo fondamentale che avviene all’interno delle cellule, con due fasi principali: trascrizione, dove il DNA viene copiato nell’RNA, e traduzione, dove l’RNA viene utilizzato per produrre proteine. Affinché ciascuna cellula possa svolgere le sue funzioni specifiche nel corpo o rispondere a condizioni mutevoli, la giusta quantità di proteina deve essere prodotta al momento giusto, il che significa che i geni devono essere attivati ​​e disattivati ​​con attenzione.

In precedenza, si pensava che la trascrizione genetica avvenisse in un processo continuo e regolare. Ma grazie a una tecnologia migliore per osservare le singole cellule, gli scienziati ora sanno che la trascrizione avviene in periodi brevi e imprevedibili.

“Un gene si accenderà in modo casuale per alcuni minuti e verranno prodotte grandi quantità di RNA. Poi, il gene si spegnerà di nuovo improvvisamente”, dice il professor Hiroshi Ochiai, dell’Istituto medico di bioregolazione dell’Università di Kyushu e autore senior dello studio. “Avviene in quasi tutti i geni e in tutti gli esseri viventi, dalle piante, agli animali, ai batteri.”

Questa natura irregolare e dinamica della trascrizione, nota come bursting trascrizionale, è un meccanismo chiave per il controllo dell’attività genetica nelle singole cellule. È uno dei motivi per cui le cellule all’interno dello stesso tessuto o ambiente di coltura mostrano variabilità nei livelli di espressione genetica, che è cruciale per processi come lo sviluppo embrionale iniziale e l’evoluzione del cancro. Tuttavia, gli esatti meccanismi dietro lo scoppio rimangono sconosciuti.

In questo studio, i ricercatori hanno deciso di esaminare il ruolo delle sequenze di DNA note come potenziatori e promotori e il modo in cui la loro distanza spaziale influisce sull’esplosione trascrizionale. Il promotore si trova solitamente proprio accanto al gene, ed è il punto in cui la proteina che effettua la trascrizione si attacca al DNA. Gli potenziatori, d’altro canto, si trovano spesso a molte centinaia di migliaia di basi di distanza dal gene, ma mentre i filamenti del DNA si muovono e si piegano, i potenziatori possono comunque finire vicino ai geni nello spazio 3D, amplificandone l’attività.

“Crediamo che gli stimolatori svolgano un ruolo cruciale nel motivo per cui la trascrizione avviene in periodi di attività, ma finora la ricerca non è chiara”, afferma Ochiai.

Per testare questa idea, Ochiai e il suo team hanno utilizzato una tecnica di imaging avanzata chiamata seq-DNA/RNA-IF-FISH, che etichetta DNA, RNA e proteine ​​specifiche con sonde fluorescenti. Questa tecnica a triplo strato ha permesso ai ricercatori di catturare simultaneamente la posizione di DNA, RNA e proteine ​​specifiche nello spazio 3D all’interno delle singole cellule staminali embrionali di topo. Con queste informazioni, il team ha potuto determinare se determinati geni erano attivi o disattivati, vedere come i promotori e gli stimolatori interagivano durante i picchi di attività e dove si accumulavano le proteine, a un livello di dettaglio senza precedenti.

Ad esempio, i ricercatori si sono concentrati su un gene chiamato Nanog, una lunghezza di 770.000 basi di DNA sul cromosoma 6, che ha un promotore e tre regioni potenziatrici ed è noto che subisce un’esplosione trascrizionale nelle cellule staminali embrionali di topo in coltura.

I ricercatori hanno scoperto che nelle cellule fotografate dove Nanog L’RNA era presente (il che significa che il gene era attivo), l’enhancer più distante si trovava in prossimità spaziale dell’RNA Nanog gene. Al contrario, quando Nanog era inattivo, l’imaging ha mostrato che la stessa regione di potenziamento era fisicamente più lontana.

Inoltre, gli scienziati hanno anche scoperto che le proteine ​​coinvolte nella regolazione della trascrizione si accumulavano anche nell’area attorno agli stimolatori e ai promotori quando Nanog era attivo.

Per comprendere meglio il meccanismo, Ochiai e il suo team hanno utilizzato la modellazione computerizzata per simulare il modo in cui le diverse parti del DNA interagiscono e si muovono all’interno della cellula, sia quando Gene Nanog è attivo e inattivo.

Hanno sviluppato il loro modello utilizzando i dati dei loro esperimenti di imaging per creare una “mappa” della frequenza con cui diverse regioni del DNA interagivano tra loro e di come il DNA veniva ripiegato nello spazio. Utilizzando questa mappa, il modello ha quindi simulato il modo in cui la catena del DNA potrebbe muoversi in modo casuale.

Il modello prevedeva che, quando si trovava nello stato attivo, ciascuna regione potenziatrice interagiva con i promotori per un tempo più del doppio rispetto a quando il gene era inattivo.

Il modello ha mostrato che questi periodi più lunghi di interazione si sono verificati a causa dell'”attrito” attorno al DNA. A causa dell’accumulo di proteine ​​e RNA quando Nanog era attivo, il fluido diventava più viscoso e faceva muovere lentamente il filamento di DNA modellato. Pertanto, il gene è stato in grado di rimanere attivo per periodi di tempo più lunghi. Al contrario, il DNA simulato si muoveva più velocemente quando Nanog era inattivo, il che significa che il promotore e gli stimolatori non avevano il tempo di interagire.

“Il modello suggerisce che la rottura è stabilizzata grazie a questi circuiti di rinforzo”, ha concluso Ochiai. “Naturalmente questa è solo una simulazione. Il prossimo passo è dimostrare che questo meccanismo avviene anche nelle cellule.”