Il meraviglioso viaggio di piccoli pezzi di RNA

I piccoli pezzi di RNA svolgono un ruolo importante nella regolazione dei geni nella maggior parte degli organismi, silenziandoli. Lo fanno agganciandosi in modo altamente specifico a determinate sequenze dei trascritti genici, che sono anch'essi molecole di RNA. In questo modo, impediscono al macchinario cellulare di produrre proteine utilizzando queste molecole di RNA. Questo meccanismo è chiamato interferenza dell'RNA (RNAi) ed è estremamente importante in biologia.

Tuttavia, il fenomeno dell'RNAi non si verifica solo in una cellula. Può manifestarsi anche in altri tessuti e organi lontani dalla cellula originaria. I ricercatori lo hanno scoperto soprattutto nelle piante, ma anche in animali inferiori come i nematodi. C. elegans può dimostrare.

Proteine e DNA sono esclusi

Tuttavia, la domanda su quale sostanza messaggera sia in grado di viaggiare attraverso cellule e tessuti è rimasta finora senza risposta. "Siamo stati in grado di escludere le proteine 20 anni fa, quando è stato scoperto che l'RNAi può essere trasmesso nelle piante", afferma Olivier Voinnet, professore di biologia dell'RNA presso l'ETH di Zurigo. L'RNAi richiede che un messaggero sia in grado di agganciarsi alla trascrizione del gene da silenziare in modo specifico per la sequenza. Le proteine non hanno questa capacità. ? inoltre improbabile che il DNA possa uscire dal nucleo della cellula. "Il candidato più probabile è sempre stato una molecola di RNA", spiega Voinnet. Finora, tuttavia, non è stato chiaro quale tipo e forma di RNA - lungo o corto, a singolo o doppio filamento, legato o non legato alle proteine - provochi l'RNAi nelle piante.

I frammenti a doppio filamento viaggiano lontano

Ma ora l'ETH e il suo team stanno sollevando il velo. Per la prima volta, i ricercatori dell'ETH hanno dimostrato chiaramente che questi messaggeri sono brevi pezzi di RNA a doppio filamento. Sono costituiti da coppie di soli 21-24 elementi di base dell'RNA e sono chiamati "piccoli RNA interferenti" (siRNA). Il nuovo studio è stato appena pubblicato sulla rivista scientifica "Nature Plants".

Vari tipi di siRNA sono solitamente prodotti in gran numero dal materiale genetico di virus che hanno infettato una cellula. Tuttavia, anche i geni o le sequenze geniche della cellula servono come istruzioni per la costruzione di queste molecole messaggere. Ciò significa che le cellule possono utilizzare l'RNAi non solo per silenziare i virus invasori, ma anche i propri geni. E proprio perché l'RNAi è mobile, le piante hanno la straordinaria capacità di regolare i geni e la loro conversione in proteine tra le cellule a distanza. Questo potrebbe essere particolarmente importante per le piante in quanto organismi viventi legati a un luogo per adattare continuamente la loro crescita, il che è chiamato "plasticità fenotipica".

Migrare o non migrare

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno anche escluso la possibilità che altri tipi di acidi nucleici o complessi di RNA e proteine si muovano attraverso le cellule vegetali. "Possiamo dimostrare definitivamente che il siRNA a doppio filamento è necessario e sufficiente per causare l'RNAi in cellule e tessuti vegetali distanti", afferma Voinnet.

Tuttavia, i ricercatori dell'ETH non si sono limitati a determinare gli elusivi corrieri di siRNA. Nel loro studio hanno anche mostrato come il siRNA si muove e come può svolgere la sua funzione: Finché una molecola di siRNA esiste come doppio filamento libero, è mobile perché in questa forma non può legarsi a un trascritto di RNA complementare. A tal fine, il siRNA deve prima essere "caricato" in una specifica proteina effettrice Argonaute (AGO). Solo la corretta combinazione della giusta proteina AGO e del siRNA corrispondente può silenziare il trascritto bersaglio, distruggendo il siRNA corrispondente.

La pianta modello utilizzata per lo studio ha dieci diverse proteine AGO, alcune delle quali riconoscono solo frammenti di siRNA selezionati in base a firme specifiche.

Proteine AGO Modelli di movimento dei siRNA

Ciò ha un'ulteriore conseguenza. Diverse proteine AGO si trovano in cellule e tessuti diversi. I ricercatori dell'ETH hanno scoperto che le proteine AGO adatte si caricano di parte del siRNA già nella cellula di origine e lo consumano. La parte non caricata delle molecole di siRNA può lasciare la cellula.

A seconda della presenza o dell'assenza di determinate proteine AGO all'interno delle cellule attraversate dai siRNA mobili, le molecole vengono consumate o meno. Ad esempio, se le proteine AGO sono abbondanti, catturano molti siRNA con firme diverse e interrompono il loro viaggio. Tuttavia, se una cellula non contiene quasi nessuna AGO, la maggior parte dei siRNA lascerà la cellula e percorrerà distanze maggiori nell'organismo.

Infine, se una cellula contiene grandi quantità di un solo AGO specifico, solo i siRNA con la firma corrispondente vengono consumati, mentre gli altri continuano il loro viaggio. In altre parole, le molecole di siRNA vengono filtrate e consumate selettivamente durante il loro percorso attraverso il tessuto vegetale.

La versatilità illimitata dell'RNAi mobile

"La quantità e la diversità delle proteine AGO nelle cellule attraversate rappresentano una sorta di setaccio molecolare per il siRNA. La forma di questo setaccio può variare da tipo di cellula a tipo di cellula lungo il percorso delle molecole di siRNA e, a seconda di come sono configurati i setacci, si può generare un'ampia varietà di modelli di movimento del siRNA", spiega Voinnet. Ciò che è ancora più interessante è che segnali di stress o di sviluppo innescano la formazione di alcuni AGO, in modo che la configurazione spaziale del setaccio possa cambiare ed evolversi in qualsiasi momento.

Gli innumerevoli modelli di movimento conferiscono al sistema di RNAi mobile all'interno della pianta una flessibilità e una versatilità quasi illimitate nell'organizzazione dell'espressione genica, ossia la lettura dei geni e la traduzione del trascritto in proteine.

I ricercatori sperano ora di poter utilizzare queste nuove scoperte per applicazioni pratiche. Ad esempio, stanno lavorando allo sviluppo di setacci molecolari artificiali per le cellule vegetali basati sugli AGO. Ciò consentirebbe di controllare con precisione quando e dove le molecole di siRNA possono muoversi. ? ipotizzabile che questo metodo possa un giorno essere utilizzato in economia agraria.