Alcune sequenze nel genoma causano l’accensione o lo spegnimento dei geni. Finora si pensava che ognuno di questi interruttori genici, i cosiddetti enhancers, avesse un suo posto nel DNA. Diversi enhancer sono quindi separati l’uno dall’altro, anche se controllano lo stesso gene e lo attivano in parti diverse del corpo. Uno studio recente dell’Università di Bonn e della LMU di Monaco sfida questa idea.
I risultati dello studio sono importanti anche perché si pensa che gli interruttori genetici svolgano un ruolo centrale nell’evoluzione. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science Advances.
Il progetto delle forme vegetali e animali è codificato nel loro DNA. Ma solo una piccola parte del genoma, circa il due percento nei mammiferi, contiene geni, le istruzioni per produrre proteine. Il resto controlla in gran parte quando e dove questi geni sono attivi: quante delle loro trascrizioni vengono prodotte e quindi quante proteine vengono prodotte da queste trascrizioni.
Alcune di queste sequenze regolatrici, chiamate “enhancers”, funzionano come interruttori dimmer usati per modulare la luce nel nostro soggiorno. Infatti, aumentano specificamente l’espressione di un gene particolare, dove e quando questo gene è richiesto. I geni che controllano la morfologia spesso rispondono a diversi enhancers indipendenti, ognuno dei quali determina l’espressione del gene in una parte diversa del corpo.
Potenziatori che controllano la colorazione della Drosophila
Finora si pensava che gli enhancers fossero modulari. Il termine implica che ogni enhancer occupi un tratto isolato di DNA. “Abbiamo dimostrato, tuttavia, che questo non è assolutamente vero”, spiega Mariam Museridze, una dottoranda presso il Bonn Institute of Organismic Biology nel gruppo del Prof. Dr. Nicolas Gompel e prima autrice dello studio. Gompel è anche membro della Transdisciplinary Research Area (TRA) ‘Life & Health’ presso l’Università di Bonn.
I ricercatori hanno studiato come un gene chiamato giallo viene regolato nel moscerino della frutta Drosophila. Questo gene fa sì che l’insetto produca il pigmento brunastro melanina. Ci sono diversi potenziatori che controllano l’attività del gene giallo. Uno di questi, ad esempio, è responsabile della pigmentazione dei denti dei vermi, mentre un altro è responsabile della formazione del motivo a strisce sull’addome del moscerino.
“Abbiamo esaminato più da vicino due di questi potenziatori”, afferma Museridze. Il primo controlla la formazione del pattern di colore sulle ali, mentre il secondo controlla la colorazione della testa, del torace e dell’addome. Entrambi sono attivi contemporaneamente durante la metamorfosi della mosca. Il team ha scoperto che il potenziatore del corpo non è, come previsto, situato in una regione di DNA diversa da quella del potenziatore delle ali. Invece, ci sono ampie regioni di DNA che appartengono a entrambi gli switch genici, ovvero influenzano la pigmentazione sia dell’ala che del corpo.
I risultati suggeriscono che l’architettura delle sequenze regolatrici nel genoma è molto più complessa di quanto si pensasse in precedenza. Ciò ha implicazioni di vasta portata su come i tratti cambiano durante l’evoluzione. Secondo le attuali conoscenze, gli enhancer svolgono un ruolo chiave in questo processo.
Gli enhancers come parco giochi evolutivo
Questo perché molte proteine sono molto importanti per un organismo nel quale una mutazione nel loro gene (vale a dire, la sequenza di DNA che contiene le istruzioni per costruire la proteina) causerebbe gravi problemi o addirittura morte certa. Di conseguenza, i geni che controllano la forma del corpo, come il numero di ali o zampe, raramente cambiano nel corso dell’evoluzione. Gli enhancer offrono una via d’uscita da questo dilemma: quando mutano, l’attività del gene corrispondente cambia, ma solo in un tessuto specifico e in un momento specifico.
“Il costo di mutare un potenziatore è quindi spesso inferiore al costo di mutare direttamente il gene”, afferma Mariam Museridze. Ciò rende più facile l’emergere di nuovi tratti durante l’evoluzione. È come preparare una torta: se mescoli uova, farina, latte e zucchero, puoi ottenere tipi di impasto completamente diversi, a seconda del rapporto di miscelazione. In questa metafora, i potenziatori sarebbero responsabili della quantità di ingredienti, non del tipo di ingredienti.
Le immagini mostrano l’addome di mosche in cui è stata modificata una specifica regione enhancer. – A seconda di quanto e quale parte della regione viene modificata, cambiano diverse aree del pattern di pigmento. Ciò mostra che la regione contiene diversi enhancer non modulari (blu = forte espressione genica; rosso = debole espressione genica).© Immagine: Mariam Museridze / Universität Bonn
Una mutazione genetica è come sostituire accidentalmente un ingrediente con qualcosa di completamente diverso, ad esempio usando la segatura al posto della farina. Il risultato non avrà certamente un buon sapore. Una mutazione in un enhancer, d’altra parte, cambierebbe la quantità di farina. “Se gli enhancers non sono modulari come pensavamo, ciò significa che le mutazioni in essi possono avere effetti molto più ampi”, afferma Museridze. Ciò significa che una tale mutazione potrebbe influenzare la quantità di diversi ingredienti contemporaneamente. Tuttavia, è anche possibile che gli enhancers mantengano la loro indipendenza e continuino a controllare la quantità di un singolo ingrediente, anche se le loro sequenze sono intrecciate e condivise. “Ora vogliamo indagare queste possibilità in modo più dettagliato”, spiega il Professor Gompel. “Vogliamo anche scoprire quanto siano generali le nostre scoperte e come ciò influenzi la nostra comprensione dei meccanismi evolutivi“.
