I ricercatori hanno scoperto una variazione genetica inaspettata in una nuova specie di protisti che mette in discussione la comprensione consolidata della traduzione del DNA in proteine e sottolinea i misteri che la natura ancora nasconde. I ricercatori hanno identificazione un codice genetico nucleare ciliato non canonico in cui UAA e UAG codificano diversi aminoacidi.
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Ma cosa sono UAA e UAG?
“I quattro nucleotidi presenti nella molecola del DNA, a gruppi di 3, danno luogo a 64 codoni diversi. Di questi, 3 codoni (UAG, UAA e UGA) non codificano nessun amminoacido ma segnalano la fine del messaggio genetico e vengono pertanto definiti codoni di arresto o codoni non senso“.
Ma facciamo un passo indietro e cerchiamo di capire anche cosa sono i protisti, gli organismi che hanno permesso l’accidentale scoperta.
“I protisti sono organismi eucarioti unicellulari: comprendono specie che possono essere considerate ai confini tra i regni delle piante, degli animali e dei funghi. Si riproducono per lo più asessualmente, per divisione cellulare e talvolta sessualmente, per coniugazione“.
Gli scienziati che stanno testando un nuovo metodo di sequenziamento di singole cellule hanno inaspettatamente cambiato la nostra comprensione delle regole della genetica.
Il genoma di un protista ha rivelato una divergenza apparentemente unica nel codice del DNA che segnala la fine di un gene, suggerendo la necessità di ulteriori ricerche per comprendere meglio questo gruppo di organismi diversi.
Il Dottor Jamie McGowan, un ricercatore post-dottorato presso l’Earlham Institute, ha analizzato la sequenza del genoma di un organismo microscopico – un protista – isolato da uno stagno d’acqua dolce nei parchi dell’Università di Oxford.
Il lavoro aveva lo scopo di testare una pipeline di sequenziamento del DNA in grado di funzionare con quantità molto piccole di DNA, come il DNA di una singola cellula. Il Dottor McGowan stava lavorando con un gruppo di scienziati dell’Earlham Institute e con il gruppo del Professor Thomas Richards dell’Università di Oxford.
Risultati genetici inattesi nei protisti
Tuttavia, quando i ricercatori hanno esaminato il codice genetico, il protista Oligohymenophorea sp. PL0344 si è rivelato essere una nuova specie con un improbabile cambiamento nel modo in cui il suo DNA viene tradotto in proteine.
Il Dottor McGowan ha detto: “È una pura fortuna che abbiamo scelto questo protista per testare il nostro processo di sequenziamento e mostra semplicemente cosa c’è là fuori, evidenziando quanto poco sappiamo sulla genetica dei protisti”.
È difficile fare qualsiasi affermazione sui protisti come gruppo. La maggior parte sono organismi microscopici e unicellulari come amebe, alghe e diatomee, ma esistono protisti multicellulari più grandi, come alghe, muffe melmose e alghe rosse.
“La definizione di protista è vaga: essenzialmente è qualsiasi organismo eucariotico che non sia un animale, una pianta o un fungo“, ha affermato il Dottor McGowan. “Questo è ovviamente molto generale e questo perché i protisti sono un gruppo estremamente variabile. Alcuni sono più strettamente imparentati con gli animali, altri più strettamente imparentati con le piante. Ci sono cacciatori e prede, parassiti e ospiti, nuotatori e sitter e ci sono quelli con diete varie mentre altri fotosintetizzano. Fondamentalmente, possiamo fare pochissime generalizzazioni”.
Ciliati e variazioni del codice genetico
Oligoimenoforea sp. PL0344 è un ciliato. Questi protisti nuotatori possono essere visti al microscopio e si trovano quasi ovunque ci sia acqua.
I ciliati sono punti caldi per le modifiche del codice genetico, inclusa la riassegnazione di uno o più codoni di stop: i codoni TAA, TAG e TGA. Praticamente in tutti gli organismi, questi tre codoni di stop vengono utilizzati per segnalare la fine di un gene.
Le variazioni nel codice genetico sono estremamente rare. Tra le poche varianti del codice genetico finora segnalate, i codoni TAA e TAG hanno praticamente sempre la stessa traduzione, suggerendo che la loro evoluzione sia accoppiata.
“In quasi tutti gli altri casi di cui siamo a conoscenza, TAA e TAG cambiano in tandem“, ha spiegato il Dottor McGowan. “Quando non sono codoni di stop, ciascuno specifica lo stesso amminoacido“.
Anomalie di traduzione del DNA
Il DNA è come il progetto di un edificio. Non fa nulla di per sé: fornisce istruzioni sul lavoro da svolgere. Affinché un gene abbia un impatto, il progetto deve essere “letto” e quindi incorporato in una molecola che ha un effetto fisico.
Per poter leggere il DNA, viene prima trascritto in una copia di RNA. Questa copia viene portata in un’altra zona della cellula dove viene tradotta in aminoacidi che si combinano per formare una molecola tridimensionale. Il processo di traduzione inizia al codone di inizio del DNA (ATG) e termina a un codone di stop (normalmente TAA, TAG o TGA).
In Oligohymenophorea sp. PL0344, solo TGA funziona come codone di stop, sebbene il Dottor McGowan abbia scoperto che ci sono più codoni TGA del previsto nel DNA del ciliato, ritenuti per compensare la perdita degli altri due. Invece, TAA specifica la lisina e TAG specifica l’acido glutammico.
“Questo è estremamente insolito”, ha detto il Dottor McGowan. “Non siamo a conoscenza di nessun altro caso in cui questi codoni di stop siano collegati a due diversi aminoacidi. Infrange alcune delle regole che pensavamo di conoscere sulla traduzione genetica: si pensava che questi due codoni fossero accoppiati.
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Astratto
Il codice genetico è una delle caratteristiche meglio conservate in tutta la vita. Solo pochi lignaggi si sono discostati dal codice genetico “universale”. Tra le poche varianti del codice genetico finora segnalate, i codoni UAA e UAG hanno praticamente sempre la stessa traduzione, suggerendo che la loro evoluzione sia accoppiata. Qui, riportiamo il sequenziamento del genoma e del trascrittoma di un nuovo ciliato incolto, appartenente alla classe Oligohymenophorea, dove la traduzione dei codoni di stop UAA e UAG è cambiata per specificare diversi amminoacidi. Analisi genomiche e trascrittomiche hanno rivelato che l’UAA è stato riassegnato per codificare la lisina, mentre l’UAG è stato riassegnato per codificare l’acido glutammico. Abbiamo identificato più geni tRNA soppressori con anticodoni complementari ai codoni riassegnati. Mostriamo che il codone di stop UGA trattenuto è arricchito nel 3’UTR immediatamente a valle della regione codificante dei geni, suggerendo che esiste una spinta funzionale per mantenere i codoni di stop in tandem. Utilizzando un approccio filogenomico, abbiamo ricostruito la filogenesi dei ciliati e mappato i cambiamenti del codice genetico, evidenziando il notevole numero di cambiamenti del codice genetico indipendenti all’interno del gruppo di protisti Ciliophora. Secondo le nostre conoscenze, questa è la prima segnalazione di una variante del codice genetico in cui UAA e UAG codificano amminoacidi diversi evidenziando il notevole numero di cambiamenti del codice genetico indipendenti, all’interno del gruppo di protisti Ciliophora. Secondo le nostre conoscenze, questa è la prima segnalazione di una variante del codice genetico in cui UAA e UAG codificano amminoacidi diversi, evidenziando il notevole numero di cambiamenti del codice genetico indipendenti all’interno del gruppo di protisti Ciliophora. Secondo le nostre conoscenze, questa è la prima segnalazione di una variante del codice genetico in cui UAA e UAG codificano amminoacidi diversi”.
Riepilogo dell’autore
Il codice genetico è quasi universale in tutta la vita. La stragrande maggioranza degli organismi utilizza il codice genetico canonico, che ha tre codoni di stop (UAA, UAG e UGA) e 61 codoni di senso che codificano per gli amminoacidi. Qui, riportiamo la scoperta di una variante inaspettata del codice genetico in una specie di ciliato non coltivata della classe Oligohymenophorea, dove i codoni di stop canonici UAA e UAG sono stati riassegnati al codice rispettivamente per lisina e acido glutammico. Questa è una riassegnazione del codice genetico particolarmente insolita poiché UAA e UAG differiscono nella posizione di oscillazione e si pensa che la loro evoluzione sia accoppiata. Segnaliamo anche che il codone di stop rimanente, UGA, si arricchisce immediatamente a valle dei geni nello stesso frame di lettura, suggerendo un possibile ruolo nel ridurre al minimo le conseguenze deleterie in caso di readthrough traduzionale”.
Gli scienziati tentano di progettare nuovi codici genetici, ma questi sono anche presenti in natura. Ci sono cose affascinanti che possiamo trovare, se le cerchiamo. O, in questo caso, che troviamo quando non le stiamo cercando”.
Fonte:PLOS Genetics
