Trascrizione genica-immagine: Dott.ssa Hana Cahová, responsabile del gruppo di ricerca sulla biologia chimica degli acidi nucleici (Foto: Tomáš Belloň / IOCB Praga)
Gli scienziati dell’IOCB di Praga stanno scoprendo nuovi dettagli sulla trascrizione genica. Hanno identificato un meccanismo molecolare precedentemente sconosciuto attraverso il quale può essere avviata la trascrizione delle informazioni genetiche dall’acido desossiribonucleico (DNA) all’acido ribonucleico (RNA). I ricercatori si sono concentrati su una classe specifica di molecole note come allarmi, presenti nelle cellule di un’ampia gamma di organismi e i cui livelli spesso aumentano in condizioni di stress cellulare.
I risultati dello studi sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature Chemical Biology.
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Le molecole di acido ribonucleico possono presentare una varietà di modificazioni chimiche a un’estremità, nota come cappuccio. Negli organismi eucarioti, comprese le cellule umane, il cappuccio più noto svolge un ruolo importante nella stabilità dell’RNA e nella regolazione del suo destino successivo. Negli ultimi anni, tuttavia, è diventato chiaro che esistono anche cappucci di RNA alternativi e non canonici, sebbene la loro formazione e i meccanismi con cui si legano all’RNA siano ancora solo parzialmente compresi. Tra questi, i cappucci di alarmone, formati da molecole di dinucleosidi polifosfati, che proteggono l’RNA cellulare nei momenti in cui la cellula è sotto minaccia.
Nel loro studio, la Dott.ssa Hana Cahová e colleghi hanno esaminato l’RNA polimerasi batterica e hanno studiato come questo enzima possa avviare la trascrizione utilizzando dinucleosidi polifosfati (NpN) al posto dei normali elementi costitutivi dell’RNA. Per la prima volta, gli scienziati hanno descritto, a livello atomico, come l’RNA con un cappuccio alarmone possa essere generato direttamente all’inizio della trascrizione genica. Hanno anche osservato che gli NpN si legano attraverso un tipo di appaiamento di basi diverso da quello tipicamente osservato.
Il lavoro è stato notevolmente influenzato da Valentina Serianni del team di Hana Cahová, che ha dimostrato la capacità dei dinucleosidi polifosfati di avviare la trascrizione genica, e da Jana Škerlová, che si è concentrata sull’analisi strutturale dell’RNA polimerasi. Utilizzando i dati della microscopia elettronica criogenica, ha mostrato come le molecole di dinucleosidi polifosfati si leghino all’interno del sito attivo dell’RNA polimerasi, ovvero il nucleo dell’enzima dove vengono trascritte le informazioni genetiche. Insieme, le loro scoperte contribuiscono a chiarire i processi che accompagnano la trascrizione delle informazioni genetiche dal DNA all’RNA.
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Hana Cahová aggiunge: “Stiamo descrivendo qualcosa che avviene realmente nelle cellule e che ora siamo in grado di osservare direttamente a livello delle singole molecole. Questo ci permette di rispondere a domande fondamentali sui processi cellulari, come ad esempio come le cellule si adattano allo stress. L’RNA gioca un ruolo centrale in questo, poiché trasporta la cascata di informazioni alla base di qualsiasi risposta cellulare, ad esempio a condizioni di minaccia causate da carenza di nutrienti o shock termico”.
La microscopia elettronica criogenica (cryo-EM) è stata fondamentale per il progetto. Questa parte del lavoro è stata guidata dal Dott. Tomáš Kouba, uno degli autori dello studio. “La microscopia elettronica criogenica ci permette di congelare le molecole biologiche in uno stato molto vicino alla loro forma naturale e quindi di determinarne la struttura tridimensionale. Questo permette di osservare direttamente i centri attivi degli enzimi e di osservarne la funzione fino al livello atomico”, spiega.
Astratto
L’RNA ricoperto da dinucleosidi polifosfati è stato scoperto solo di recente in batteri ed eucarioti. Il probabile meccanismo di questo specifico capping prevede l’incorporazione diretta di dinucleosidi polifosfati da parte della RNA polimerasi come nucleotidi di inizio non canonici. Tuttavia, non è noto come questi composti si leghino al sito attivo della RNA polimerasi durante l’inizio della trascrizione. In questo studio, abbiamo esplorato l’inizio della trascrizione in vitro, utilizzando una serie di stampi di DNA in combinazione con dinucleosidi polifosfati e un modello di RNA polimerasi di Thermus thermophilus . Abbiamo osservato che il sito di inizio della trascrizione può variare in base alla compatibilità dello stampo specifico e del dinucleosidi polifosfato. Le strutture di criomicroscopia elettronica dei complessi di inizio della trascrizione con dinucleosidi polifosfati hanno rivelato che entrambe le porzioni di nucleobasi possono appaiarsi con lo stampo di DNA. Il primo codifica coppie di nucleotidi secondo il modello canonico Watson-Crick, mentre il secondo si accoppia in modo non canonico secondo il modello inverso Watson-Crick. Il nostro lavoro fornisce una spiegazione strutturale di come i dinucleosidi polifosfati inizino la trascrizione dell’RNA”.
Pubblicazione originale
L’anno scorso, l’IOCB di Praga ha inaugurato un nuovo centro crio-EM, unico nel panorama della ricerca ceca. Microscopi elettronici criogenici all’avanguardia sono ospitati in un edificio appositamente progettato e consentono lo studio dei processi biologici con un’eccezionale precisione strutturale.