RNA che non codificano per proteine

Quanti RNA diversi ci sono in una cellula eucariote qualsiasi in un momento qualsiasi? e quali sono le loro funzioni?

Le evidenze sperimentali ci indicano che a partire da un certo genoma vengono trascritti molti RNA diversi di lunghezze diverse, alcuni dei quali possono essere tradotti in catene di aminoacidi, altri che, se fossero tradotti, darebbero origine a tanti diversi piccolissimi frammentini di peptidi e verosimilmente non sono tradotti affatto.

Negli ultimi due decenni la moltitudine e molteplicità degli RNA è stata studiata con grande interesse e i molti nuovi dati sugli RNA sono stati raccolti usando il sequenziamento dei genomi, il sequenziamento dei trascrittomi e la bioinformatica. In altre parole è stata ottenuta l’intera sequenza del DNA di molti organismi, sono state ottenute le sequenze degli RNA espressi in vari particolari momenti nelle cellule di questi organismi e questi due dati sono stati confrontati usando l’informatica per scoprire quali pezzi del DNA venivano trascritti e a che tipo di RNA dessero origine. Questi esperimenti ci hanno portati a due osservazioni importanti:

• a partire da uno stesso gene vengono trascritti più RNA diversi che vengono tutti tradotti in proteine, a loro volta un pochino diverse le une dalle altre. Chiamiamo questi diversi trascritti varianti di splicing e si osserva che nell’uomo ed in altri organismi superiori ogni variante di splicing è caratteristica di uno specifico organo o tessuto
• ci sono molti trascritti di lunghezze diverse che non danno origine a proteine

Queste evidenze sperimentali le possiamo vedere con i nostri occhi andando a guardare i dati sperimentali di sequenziamento del genoma umano e di altri genomi disponibili gratuitamente, usando il software e!Ensamble per visualizzare i dati del progetto Encode e di altri progetti simili. Possiamo cercare un gene qualsiasi e andare a guardare quali RNA risultano trascritti a partire dalla regione del genoma intorno al gene prescelto e in quali tessuti quei trascritti risultano presenti.

Proviamo a fare questa esperienza insieme cercando un gene interessante,

iniziamo con quello che codifica per la Tirosina idrossilasi (TH) o Tirosina 3-monoossigenasi. La TH è un enzima presente nel sistema nervoso importante per la sintesi delle catecolammine, importanti neurotrasmettitori del nostro organismo come adrenalina, noradrenalina e dopamina.

Andiamo su https://www.ensembl.org/index.html 

Nel box di ricerca inseriamo TH scegliendo Human come specie.

Quindi cliccando su go si avvia la ricerca. Il primo risultato è quello di interesse (TH Human Gene):

Cliccandoci sopra e scorrendo la pagina risultante verso il basso troviamo in forma grafica il gene e i possibili mRNA risultanti:

La prima cosa che vi invito a notare è che da uno stessa sequenza di DNA vengono prodotti molti diversi trascritti di RNA, che iniziano in punti diversi, hanno diverse lunghezze, diverse direzioni (vengono trascritti a partire da un filamento o dall’altro). Inoltre alcuni trascritti sono annotati come “protein coding” ovvero si tratta di RNA messaggeri che contengono l’informazione per costruire una proteina mentre altri sono annotati con altre funzioni.

I trascritti “protein coding” sono costituiti da introni ed esoni e vanno incontro ad un processo di maturazione che elimina gli introni e lascia i soli esoni congiunti tra loro a formare l’mRNA che viene tradotto in proteina ad opera di tRNA e ribosomi. Nella rappresentazione schematica che guardiamo, ciascun trascritto maturo è fatto di esoni , che sono le zone più in grassetto, connessi tra di loro da linee meno marcate che congiungono gli esoni tra di loro, si tratta delle regioni dove c’erano gli introni che ormai sono stati rimossi.

Se osservate con attenzione ciascuno dei trascritti “protein coding” è costituito da una diversa combinazione di esoni.

Ci sono 4 i diversi mRNA codificanti per proteine prodotti a partire dallo stesso gene, con un numero di esoni che varia da 6 a 13-14.

Gli altri trascritti poi sono annotati con funzioni regolatorie.

Ora capiamo meglio perchè la più moderna definizione di GENE è questa:

“Un gene è una sequenza di DNA (i cui segmenti non sono necessariamente esclusivamente contigui) che produce sequenze di RNA e/o proteine ad esso correlate. Ogni gene è parte di una complessa rete di geni all’interno di un genoma e come parte di questa rete produce effetti osservabili al livello fenotipico. La sequenza di DNA di un gene e a volte anche la sua struttura vengono ereditati entrando a far parte della rete di geni del nuovo individuo nel quale contribuiscono a produrre un fenotipo.”

ref. Portin P & Wilkins A (2017) The Evolving Definition of the Term “Gene” GENETICS https://doi.org/10.1534/genetics.116.196956

Ora osserviamo l’espressione per questo gene in un organismo umano: dal menu di sinistra selezioniamo ‘Gene Expression’

                                                                                  

Ciascuna riga rappresenta un diverso esperimento nel quale la presenza di qualcuno di quei trascritti o di qualcuna di quelle proteine è stata rilavata nei vari tessuti del corpo umano. Possiamo vedere bene, che il gene non è attivo solo per trascrivere proteine e solo in un tessuto, ma che è presente in molti tessuti in quantità diverse e che nei vari tessuti può risultare più o meno presente una variante di splicing piuttosto che un’altra.

Possiamo ripetere l’esperienza con altri geni che vi sembrano interessanti, proponete voi

Che cosa fanno dunque gli RNA che non codificano per proteine?

Beh per prima cosa non si tratta della prima volta che incontriamo RNA che non codificano per proteine. Abbiamo tutti studiato per anni che la traduzione avviene grazie i tRNA e agli rRNA. RNA di fondamentale importanza, la cui funzione non è quella di codificare per proteine.

Quindi si tratta solo di espandere la lista delle possibili funzioni degli RNA ed assegnare a ciascuno degli RNA non codificanti che abbiamo trovato una sua funzione. E così si è fatto e si sta facendo nel campo della ricerca.

Un elenco delle funzioni che sono state trovate fino adesso è il seguente:

• piccoli RNA antisenso in grado di appaiarsi ad RNA messaggeri ed inibirne la traduzione in proteine. Si tratta di RNA in grado di appaiarsi ad uno o più trascritti impedendone la traduzione. (figura 5.36 a pagina 194 del libro”Dal carbonio agli OGM PLUS” edito da Zanichelli )
• piccoli RNA antisenso in grado di promuovere la degradazione di uno o più trascritti e quindi di impedirne la traduzione, attraverso il meccanismo dell’interferenza

Questo video in inglese descrive il meccanismo di intereferenza:

Perchè la cellula spenderebbe energia a produrre un trascritto per poi bloccarne la traduzione o addirittura promuoverne la degradazione? Fra le ipotesi che abbiamo avanzato in classe, l’idea che gli RNA antisenso aiutino a modulare la quantità di proteina prodotta o la sua produzione nel tempo. Si tratta di un risultato completamente diverso da quello che si otterrebbe regolando la trascrizione.

Sul libro “Dal carbonio agli OGM PLUS” edito da Zanichelli, alle pagine 194-195-196 si parla di RNA antisenso e interferenza dell’RNA.

tornando al nostro elenco delle funzioni associate ai vari RNA fino ad oggi:

• gli RNA non regolano la traduzione di un trascritto solo appaiandosi ad esso, a volte uno stesso trascritto contiene delle porzioni che non codificano per la proteina ma che invece servono a regolare la traduzione del trascritto stesso. Queste porzioni sono in genere in grado di legare altre piccole molecole e se queste si legano formano un complesso che blocca la traduzione. Queste porzioni di RNA vengono denominate “riboswitch“

Sul libro “Dal carbonio agli OGM PLUS” edito da Zanichelli, alle pagine 196 e 197si parla di RNA con funzioni catalitiche (riboswitch)

• gli RNA non regolano solo l’espressione di singoli geni o trascritti o di gruppi di essi, ma possono regolare anche l’espressione dei geni di interi cromosomi. L’RNA Xist è trascritto a partire da una delle due copie del cromosoma X nelle femmine. Quando questo RNA è espresso non viene tradotto e invece interagisce con la cromatina del cromosoma stesso che lo ha prodotto contribuendo a renderla inattiva. Nessun altro gene è trascritto a partire da quella copia del cromosoma
• alcuni RNA sono in grado di ripiegarsi in una struttura tridimensionale stabile e svolgere una attività catalitica. Da soli o associandosi a proteine (ad esempio i ribosomi sono costituiti da RNA e proteine ed hanno funzione catalitica, sintetizzano le proteine!). Questo tipo di RNA con funzione catalitica viene chiamato “ribozima“. Si ipotizza che la prima cellula funzionale, dalla quale si è originata tutta la vita che conosciamo ora sulla terra (Last Universal Common Ancestor, LUCA) funzionasse grazie al solo RNA, che serviva sia per conservare l’informazione che per svolgere funzioni enzimatiche.

Sul libro “Dal carbonio agli OGM PLUS” edito da Zanichelli, alle pagine 196 e 197 si parla di RNA con funzioni catalitiche (ribozimi)

• negli eucarioti i trascritti subiscono un processo di maturazione (splicing). Il macchinario responsabile del processo di splicing è costituito da RNA e proteine, esattamente come i ribosomi. Inoltre sono noti RNA capaci di automaturarsi e lo fanno grazie alla particolare sequenza dell’ RNA nella regione intronica, che è capace di catalizzare la propria eliminazione dal trascritto maturo.
• sempre parlando del processo di maturazione, che può dare origine a diversi trascritti a partire da un singolo gene, sono noti RNA responsabili per la regolazione del processo di maturazione. La presenza di questi RNA regolatori porta alla produzione di una variante di splicing piuttosto che un’altra
• conosciamo RNA necessari per la replicazione, che interagiscono con la cromatina ed anche con il complesso di inizio della duplicazione
• lo stampo che consente alla telomerasi di sintetizzare le parti terminali dei cromosomi è un RNA

A questo link trovate una versione stampabile della lezione. Perfavore chiedetevi se vi serva veramente stamparla prima di sprecare la carta!

Potete visualizzare e scaricare le presentazioni che abbiamo utilizzato a lezione in classe: lezione1 e lezione2