Informazione

Perché la Natura usa un sistema a 4 livelli per codificare le informazioni nel DNA?

Perché la Natura usa un sistema a 4 livelli per codificare le informazioni nel DNA?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Innanzitutto, non sono un biologo, quindi questa domanda potrebbe essere ingenua:

L'elaborazione e la memorizzazione delle informazioni del computer si basa su un sistema di bit a 2 cifre con valori 0 e 1. Ora, il DNA memorizza le informazioni in un sistema a 4 cifre: A, C, G, T. Tre coppie di basi formano un codone e possono codificare 43 aminoacidi.

C'è una buona ragione per cui un sistema a 4 livelli (che può memorizzare 2 bit per entità di codifica) si è evoluto piuttosto che un sistema a 2 livelli o con un numero maggiore di simboli nell'alfabeto?

In altre parole: perché un sistema binario non è stato preferito per l'archiviazione e l'elaborazione dei dati? Nell'informatica, il binario è molto più semplice e i pochissimi test di elaborazione di dati esotici di livello superiore non hanno avuto successo.


L'ipotesi attuale è che l'RNA sia venuto prima, il DNA e le proteine ​​dopo. Quindi il motivo per cui vengono utilizzate quattro basi potrebbe essere correlato al mondo iniziale dell'RNA, e quindi il DNA ha semplicemente riutilizzato le basi dell'RNA già esistenti in una forma leggermente modificata. Nel mondo dell'RNA, tutte le funzioni dovevano essere svolte dall'RNA. Avere più basi disponibili di due sarebbe probabilmente importante per poter adottare varie strutture e creare tasche di legame o siti attivi per i ribozimi.

Non puoi davvero pensare al codice genetico come a un dispositivo di archiviazione dati astratto. Ci sono conseguenze fisiche e chimiche nella scelta della codifica. Ad esempio, le proteine ​​devono essere in grado di legarsi al DNA e riconoscere particolari schemi. Con il tuo codice binario, la sequenza di riconoscimento dovrebbe essere più lunga, perché ogni coppia di basi contiene meno informazioni. Gli anticodoni del tRNA dovrebbero essere più grandi affinché la biosintesi proteica funzioni con il codice binario. Un altro problema che gioca un ruolo in alcuni processi è che le coppie di basi GC sono più stabili delle coppie di basi AU/AT.

Sono tutte solo ipotesi. Evolution non sceglie necessariamente l'opzione migliore, a volte è solo quella più conveniente che funziona ancora bene.

Ho anche trovato una recensione intitolata "Perché ci sono quattro lettere nell'alfabeto genetico?" che fa un punto simile al mio primo.

Tutti i modelli presenti per spiegare il fatto che abbiamo quattro tipi di base nel nostro alfabeto genetico si imperniano, in forma nascosta o palese, sul presupposto che l'alfabeto genetico si sia evoluto in un mondo a RNA

Un altro fattore a cui non ho pensato che è stato menzionato è che mentre più basi producono ribozimi migliori, più basi riducono anche l'accuratezza della replicazione.

In sintesi, le strutture bidimensionali simili all'RNA (e, presumibilmente, anche le strutture tridimensionali) diventano meglio definite all'aumentare delle dimensioni dell'alfabeto, mentre l'accuratezza della replicazione diminuisce.


Perché la natura usa un sistema a 4 livelli (DNA) per codificare le informazioni?

Risposta breve: facilità di fabbricazione, semplicità di abbinamento, sufficienza per i requisiti. Meno basi semplici richiedono meno sforzo per creare, forniscono meno corrispondenze possibili, ma sono abbastanza complesse da codificare ciò che è richiesto pur mantenendo una degenerazione sufficiente per il successo. Inoltre è stata la coincidenza della coevoluzione replicasi-alfabeto, entrambe avvenute nello stesso luogo allo stesso tempo.

Risposta più lunga:

Innanzitutto, non sono un biologo, quindi questa domanda potrebbe essere ingenua:

Principianti ed esperti sono i benvenuti in SE.

Tutta la nostra elaborazione e memorizzazione delle informazioni si basa su una logica a 2 livelli, bit con 0 e 1.

numero di Eulero ($e$) è definita come la somma di una serie infinita $sum_{n=0}^infty frac{1}{n!}$ e ha l'economia radix più bassa, ma non è conveniente da implementare nei circuiti logici. Con l'economia radicale di $e$ impostato su 1.000, ternario è 1.0046 e binario è 1.0615.

I computer ternari sono stati costruiti utilizzando la logica ternaria e, sebbene siano rari, la logica ternaria viene utilizzata in SQL; anche nei computer basati su binari.

Maggior parte, ma non tutto del nostro trattamento e conservazione delle informazioni si basa su una logica a 2 livelli.

Ora, il DNA immagazzina le informazioni in un sistema a 4 livelli: A, C, G, T. Tre coppie di basi formano un codone e possono codificare 4^3 amminoacidi.

La maggior parte, ma non tutti.

Il cinque le basi azotate canoniche o primarie sono: adenina (A), citosina (C), guanina (G), timina (T) e uracile (U). Il DNA usa A, G, C e T mentre l'RNA usa A, G, C e U.

In laboratorio il DNA è stato creato con 6 e 8 basi, è funzionale.

Vedi il rapporto (paywall): "Hachimoji DNA e RNA: un sistema genetico con otto elementi costitutivi", 22 febbraio 2019, di Shuichi Hoshika, Nicole A. Leal, Myong-Jung Kim, Myong-Sang Kim, Nilesh B. Karalkar, Hyo-Joong Kim, Alison M. Bates, Norman E. Watkins Jr., Holly A. SantaLucia, Adam J. Meyer, Saurja DasGupta, Joseph A. Piccirilli, Andrew D. Ellington, John SantaLucia Jr., Millie M. Georgiadis e Steven A. Benner (versione Google Cache).

"Fig. 4 Struttura e proprietà fluorescenti delle molecole di RNA hachimoji.
(A) Schema che mostra l'aptamer completo della variante di spinaci hachimoji; ulteriori componenti nucleotidici del sistema hachimoji sono mostrati come lettere nere nelle posizioni 8, 10, 76 e 78 (B, Z, P e S, rispettivamente). Il fluoro si lega nell'ansa L12 (25). (B a E) Fluorescenza di varie specie in quantità uguali come determinato da UV. La fluorescenza è stata visualizzata sotto una luce blu (470 nm) con un filtro ambra (580 nm).
(B) Controllo solo con fluoro, privo di RNA.
(C) Spinaci Hachimoji con la sequenza mostrata in (A).
(D) Aptamer di spinaci nativi con fluoro.
(E) Aptamero di fluoro e spinaci contenente Z nella posizione 50, sostituendo la coppia A:U nelle posizioni 53:29 con G:C per ripristinare il triplo osservato nella struttura cristallina. Questo pone il cromoforo Z di spegnimento vicino al fluoro; Gli spettri CD suggeriscono che questa variante avesse la stessa piega degli spinaci nativi (fig. S8).".

Tubo da centrifuga C contiene gli spinaci con il DNA che contiene otto basi.

C'è una buona ragione per cui durante la prima evoluzione, un sistema a 4 livelli (che può memorizzare 2 bit per entità di codifica) è preferito a un sistema a 2 livelli oa sistemi più grandi?

Sì.

  • Fedeltà di copia decresce approssimativamente in modo esponenziale con l'aumentare della dimensione (N coppie) dell'alfabeto (mantenendo fissa la lunghezza del genoma). La ragione di ciò è che man mano che si aggiungono più lettere all'alfabeto, si somiglieranno sempre di più, e quindi aumenta la possibilità di mispairing e mutagenesi.

  • Efficienza metabolica complessiva e fitness sono determinati dalla dimensione, abbiamo 20 amminoacidi da codificare (i più piccoli fanno 16 o meno) e 3 codoni di stop. Quindi abbiamo uno spazio per 64 e ci affidiamo alla degenerazione per fornire un grado di 'Correzione dell'errore' (sinonimizzazione) in cui gli errori vengono convertiti, di solito per produrre errori non fatali. Anche se raramente errori di traduzione fatali possono ancora causare malattie rare.

Stiamo già funzionando in modo inefficiente, andare a un numero maggiore di coppie introduce una complessità inutile e andare più piccoli non è disponibile per il numero di amminoacidi che devono essere codificati. L'aumento della lunghezza del codone rende il DNA più grande, poiché deve essere già avvolto per infilarlo nelle cellule; un terzo di DNA più grande si adatterebbe meglio a cellule che sono anche un terzo più grandi.

Nel pezzo d'opinione "Perché ci sono quattro lettere nell'alfabeto genetico?", Nature Reviews Genetics volume 4, pagine 995-1001 (2003), di Eörs Szathmáry ci sono le seguenti osservazioni:

Pagina 995:

"Ci sono quattro vincoli principali alla riuscita dell'incorporazione di una nuova coppia di basi$^{[6-8]}$:

  • stabilità chimica (la base non dovrebbe decomporsi facilmente);

  • stabilità termodinamica (nuove coppie di basi non dovrebbero destabilizzare le strutture degli acidi nucleici);

  • processabilità enzimatica (le polimerasi dovrebbero accettare le coppie di basi come substrati, catalizzare l'addizione al primer ed essere in grado di portare avanti il ​​processo); e

  • selettività cinetica (ortogonalità ad altre coppie di basi).

Tutti e quattro i criteri sono importanti ma la combinazione degli ultimi due, che potremmo chiamare replicabilità, ha ricevuto particolare attenzione perché è il principale ostacolo all'aggiunta all'alfabeto genetico.".

Pagina 997:

"Argomenti teorici
La fattibilità di coppie di basi alternative solleva la domanda: perché ci sono quattro basi nell'alfabeto genetico naturale? Come ha sottolineato Orgel, ci sono due tipi di risposta: o l'evoluzione non ha mai sperimentato coppie di basi alternative o quattro basi "erano sufficienti"$^{[20]}$. La prima opzione potrebbe essere valida per le coppie di basi idrofobe discusse sopra (potrebbe mancare un'adeguata sintesi precoce), ma è improbabile che sia vero per tutte le basi di legame idrogeno in un "caos chimico" prebiotico. Ad ogni modo, non spiega perché non abbiamo solo due basi$^{[21-24]}$. Sembra quindi opportuno perseguire la seconda opzione: perché possono bastare quattro basi? Se 'abbastanza' è inteso in termini di stabilità evolutiva, significa ottimalità all'interno della cornice dei vincoli strutturali che sono offerti dalla selezione naturale. Qui, descrivo i tentativi di dimostrare che quattro basi sono ottimali sotto SELEZIONE STABILIZZATRICE, specialmente quando consideriamo l'EQUILIBRIO MUTAZIONE-SELEZIONE. Discuto poi le prove per la dimensione ottimale del codice genetico ottenuto da in silicone SELEZIONE DIREZIONALE e infine analizzare un contributo più astratto della cosiddetta TEORIA DELLA CODIFICA DEGLI ERRORI.".

Pagina 1000:

"Le indagini teoriche basate su studi strutturali, energetici e teorici dell'informazione confermano l'opinione che l'aumento delle dimensioni dell'alfabeto diminuisce la fedeltà di copia mentre aumenta la densità delle informazioni. Ciò indica che deve esserci una dimensione dell'alfabeto ottimale in termini di fitness, sia che si supponga che la genetica. alfabeto è stato fissato in un mondo RNA o no.

Secondo la visione basata sull'RNA, l'alfabeto genetico è stato fissato più di 3 miliardi di anni fa$^{[31]}$, e l'origine del codice genetico e della traduzione è avvenuta successivamente$^{[42]}$. Questa linea di ragionamento indica che la divisione informativa/operativa del lavoro tra acidi nucleici e proteine$^{[43}]$ ha disaccoppiato l'alfabeto genetico dai vincoli di funzionalità enzimatica. Poiché il codice genetico si è evoluto nel contesto di un certo alfabeto genetico, qualsiasi ulteriore cambiamento dell'alfabeto sarebbe stato inutile e/o estremamente improbabile.

Se, invece, il codice genetico ha avuto origine dalla simultanea coevoluzione di acidi nucleici e proteine ​​(un modello molto più complicato), allora la fissazione dell'alfabeto genetico deve essere considerata in questo contesto complesso. Qui, l'intuizione generale di Mac Dónaill$^{[38]}$ aiuta: la densità informativa dell'alfabeto è un concetto utile, sia che la funzione esercitata sia ribozimica o una funzione messaggera nella sintesi proteica. In questo caso si pone subito il problema della dimensione dell'“alfabeto catalitico” (il numero di amminoacidi codificati): perché abbiamo 20 anziché, ad esempio, 16 o 25 amminoacidi diversi? È stato sottolineato che alcune delle considerazioni discusse in questo articolo (effetti sull'efficienza catalitica e sulla fedeltà di traduzione) si applicano a questo problema correlato$^{[32}]$. Tuttavia, è probabile che sia coinvolto un altro fattore cruciale: il costo metabolico della produzione di aminoacidi. Un amminoacido che appartiene alla stessa famiglia biosintetica$^{[43]}$ dovrebbe aumentare l'efficienza catalitica solo modestamente e il suo costo metabolico è probabile che sia basso. Al contrario, è probabile che un amminoacido di una nuova famiglia biosintetica conferisca un elevato vantaggio enzimatico, ma dovrebbe sostenere costi metabolici elevati (ad esempio, molti nuovi passaggi che richiedono ATP).".

Riferimenti:

$[6.]$ Mathis, G. & Hunziker, J. Verso un duplex simile al DNA senza coppie di basi legate all'idrogeno. Angelo. chimica Int. Ed. 41, 3203-3205 (2002).

$[7.]$ Ogawa, A. K., Wu, Y., Berger, M., Schultz, P. G. & Romesberg, F. E. Progettazione razionale di una coppia di basi innaturale con maggiore selettività cinetica. Marmellata. chimica Soc. 122, 8803-8804 (2000).

$[8.]$ Kool, E. T. DNA modificati sinteticamente come substrati per le polimerasi. Curr. opinare. chimica Biol. 4, 602-608 (2000).

$[20.]$ Orgel, L. E. Acidi nucleici - aggiunta all'alfabeto genetico. Natura 343, 18-20 (1990).

$[21.]$ Orgel, L. E. Evoluzione dell'apparato genetico. J. Mol. Biologico. 38, 381-393 (1968).

$[22.]$ Crick, F. H. C. L'origine del codice genetico. J. Mol. Biol. 38, 367-379 (1968).

$[23.]$ Wächtershäuser, G. Un precursore di tutte le purine degli acidi nucleici. Proc. Natl Acad. Sci. USA 85, 1134-1135 (1988).

$[24.]$ Zubay, G. Un precursore di tutti gli acidi nucleici purinici. Chemtracts 2, 439-442 (1991).

$[31.]$ Szathmáry, E. Quattro lettere nell'alfabeto genetico: un ottimo evolutivo congelato? Proc. R. Soc. Londra. B245, 91-99 (1991).

$[32.]$ Szathmáry, E. Qual è la dimensione ottimale per l'alfabeto genetico? Proc. Natl Acad. Sci. USA 89, 2614-2618 (1992).

$[38.]$ Mac Dónaill, D. A. Perché la natura ha scelto A, C, G e U/T: una prospettiva di codifica degli errori della composizione dell'alfabeto nucleotidico. Orig. Vita Evol. Biosfera 33, 433-455 (2003).

$[42.]$ Szathmáry, E. L'origine del codice genetico: amminoacidi come cofattori in un mondo a RNA. Tendenze Genet. 15, 223-229 (1999).

$[43.]$ Wong, J. T. Una teoria della coevoluzione del codice genetico. Proc. Natl Acad. Sci. USA 72, 1909-1912 (1975).

Ulteriori informazioni:

La pagina web di Wikipedia di Eörs Szathmáry
http://www.colbud.hu/fellows/szathmary.shtml- Il Collegium Budapest è chiuso.

Istituto di ricerca Scripps

La pagina web di Steven Benner
http://www.chem.ufl.edu/benner.html- Il Dr. Benner ha lasciato l'UoF nel 2005.

Alla domanda diversa: perché l'evoluzione non ha preferito avere un sistema binario per archiviare ed elaborare i dati? Per noi, il binario è molto più semplice e i pochissimi test di elaborazione di dati esotici di livello superiore non hanno avuto molto successo.

Il binario non ha nulla a che fare con l'evoluzione. Pochi di noi possono contare fino a 255 in binario, preferiamo il decimale. Sia i computer ternari che SQL sono "veramente di successo", le persone preferiscono le alternative.

Questa vuole essere una risposta adatta a un laico. L'articolo di Eörs Szathmáry ei relativi riferimenti possono essere consultati per maggiori dettagli.


Risposta generale

L'uso del binario nei computer è nato principalmente da considerazioni pratiche su come rappresentare le cifre usando la corrente o la tensione elettrica (cioè "on" o "off" è il meno equivoco). Tale rappresentazione non era solo - o anche principalmente - per memorizzare informazioni di diversi tipi numerici, ma per programmare la logica usando l'algebra booleana. L'archiviazione fisica dei dati può essere in vari formati (magnetici, ottici, elettrici), ma questi sono funzionalmente equivalenti e il recupero e la conversione di dati binari in numeri interi reali, testo o immagini è prevalentemente un problema matematico piuttosto che fisico.

Il DNA ha varie funzioni, ma queste non riguardano la logica di programmazione. Nell'archiviazione di dati di tipo diverso, non c'è alcun problema a rappresentare basi o radici diverse: sono disponibili sufficienti basi di acidi nucleici differenti per rappresentare le cifre di base 4. La domanda più pertinente nell'archiviazione è quella che non si pone nella memoria del computer, ovvero la trasformazione fisica dell'informazione in altre molecole. Questo può assumere la forma di copia inversa di un acido nucleico genomico (DNA o, forse originariamente, RNA) in replicazione, la copia di un filamento di informazioni in un DNA duplex in un singolo filamento di un acido nucleico correlato ma non identico nel trascrizione in mRNA (RNA messaggero) e 'lettura' (traduzione) delle informazioni nelle basi chimiche dell'mRNA per produrre una proteina composta da amminoacidi, molecole chimiche piuttosto diverse.

Pertanto, le considerazioni elettroniche o matematiche che portano alla dichiarazione "Nell'informatica, il binario è molto più semplice" non hanno alcuna rilevanza per il DNA e il codice genetico, dove le considerazioni molecolari chimiche e strutturali sono di primaria importanza. L'ipotesi che sia necessario spiegare perché l'informazione nel DNA non è specificamente binaria è quindi falsa.

Speculazioni sulla chimica strutturale dell'evoluzione dell'informazione genetica

La domanda sul perché il sistema a 4 cifre (piuttosto che a 2 o 6 ecc.) è ancora valida, ma non si può rispondere in modo definitivo. Tuttavia, vale la pena discutere per illustrare agli scienziati numerici i modi in cui considerazioni strutturali potrebbero aver determinato la scelta del sistema informativo. Prenderò in considerazione due fasi iniziali dell'evoluzione biochimica in cui potrebbe essere stato selezionato il sistema a 4 cifre, dopo le quali - si dovrebbe riconoscere - potrebbero esserci state gravi barriere a ulteriori cambiamenti. Rinunciare a Java e passare a Python (o anche solo passare da Java I a Java II) probabilmente non era un'opzione.

LA CHIMICA DEL GENOMA AUTOREPLICANTE

Assumerò uno dei principi principali dell'Ipotesi del mondo dell'RNA: l'RNA ha preceduto il DNA come genoma cellulare. Anche se il genoma originale fosse DNA, la domanda è la stessa - perché quattro basi di acidi nucleici anziché due o sei ecc. - e i requisiti della sua costituzione chimica sono simili: consentire l'autoreplicazione (da qui la necessità di considerare i numeri pari ).

Si potrebbe considerare che sia sorto per primo un RNA con due basi - supponiamo adenina (A) e uracile (U) per motivi di discussione. Successivamente la cellula ha acquisito la capacità catalitica di sintetizzare la guanina (G) e la citosina (C), così che è diventato possibile lo sviluppo da un genoma AU autoreplicante a un genoma AUGC. Supponendo che ciò sia avvenuto prima che il potenziale di codifica degli aminoacidi dell'RNA fosse sorto, cosa potrebbe aver favorito il genoma più complesso? Potrebbe essere stato qualcosa a che fare con il fatto che ci sono tre, anziché due, legami idrogeno in una coppia di basi GC, forse producendo una diversa struttura RNA:RNA che era più stabile o più facile da replicare per qualche motivo. In alternativa potrebbe non aver avuto nulla a che fare con la struttura dell'elica RNA:RNA, ma era un effetto collaterale dell'acquisizione di basi aggiuntive la cui maggiore versatilità chimica ha potenziato le funzioni enzimatiche (attività ribozima) dell'RNA primordiale.

Se più significava meglio, perché non sei basi, anziché quattro? Potrebbero esserci ragioni chimiche specifiche come lo sviluppo più lento delle attività enzimatiche per produrre altre basi di acidi nucleici, o che con più basi la possibilità di mispairing delle basi era maggiore. (Il "principio dei riccioli d'oro" richiede molta strada.) Oppure potrebbe essere stato che il sistema funzionasse abbastanza bene, seguito dallo sviluppo di un codice tripletta, nella quale fase il sistema è stato congelato.

LA CHIMICA STRUTTURALE DELLA TRADUZIONE

Il dado potrebbe essere già stato tratto nel genoma, sopra, ma sarebbe un peccato non guardare alla chimica della decodifica dell'informazione genetica, poiché difficilmente è una considerazione per i sistemi informatici. Quindi consideriamo una competizione tra organismi strettamente correlati, uno con un genoma a due basi e un altro con un genoma a quattro basi (e anche un genoma a sei basi). Il requisito è codificare le informazioni per un numero di amminoacidi che possono dare versatilità funzionale alle proteine ​​- da qualche parte circa i 20 (più i segnali di terminazione) che abbiamo oggi. La dimensione del codone (la dimensione della parola), è 3 in un sistema a 4 bit, che può ospitare 64 (43) possibili codoni in un codice genetico (standard).Se fosse utilizzato un sistema di archiviazione dati a 2 bit, sarebbe necessaria una dimensione di 5 parole per generare 32 (25) possibili codoni, mentre un sistema a 6 bit potrebbe ridurre la dimensione della parola a 2 con 36 (62) possibili codoni.

Le conseguenze fisiche di sistemi così diversi si vedrebbero nel processo di decodifica in cui una molecola adattatrice - RNA di trasferimento (tRNA) - fornisce amminoacidi al centro peptidil transferasi del ribosoma (a un'estremità) mentre interagisce con l'RNA messaggero (mRNA) all'altra estremità attraverso l'appaiamento di basi codone-anticodone. Si potrebbe obiettare che l'anticodone del tRNA di tre basi si inserisce nell'ansa all'estremità dello stelo dell'anticodone elicoidale in un modo che gli consente di adottare una posizione relativamente precisa (sì, conosco l'oscillazione) dove può stabilire un contatto appropriato con l'mRNA basi del codone (vedi diagramma sotto).

Un anticodone quintuplo e un'interazione a cinque basi (sebbene non impossibile) sembrerebbero meno adattati naturalmente alla chimica strutturale dell'RNA. Obiezioni simili non si applicherebbero a un'interazione a due basi, sebbene si possa sostenere che l'energia totale di interazione tra due coppie di basi fosse insufficiente per prevenire errori. La considerazione dell'errore si applica anche a un sistema binario in cui la differenza di energia tra un'interazione a cinque basi e un'interazione a quattro basi (ovvero una semplice mancata corrispondenza) sarebbe bassa. Infatti, se si fosse verificata l'ipotetica competizione tra organismi a 2 bit ea 4 bit, il sistema a 2 bit sarebbe stato anche più incline alla frequenza di errore attraverso lo slittamento durante la replica.

L'ultima parola…

… va a Steven Benner, il cui gruppo ha costruito DNA a 8 basi in laboratorio:

“La capacità di immagazzinare informazioni non è molto interessante per l'evoluzione. Devi essere in grado di trasferire quell'informazione in una molecola che fa qualcosa".


Ricombinazione V(D)J

Ricombinazione V(D)J è il meccanismo di ricombinazione somatica che si verifica solo nei linfociti in via di sviluppo durante le prime fasi della maturazione delle cellule T e B. Risulta nel repertorio altamente diversificato di anticorpi/immunoglobuline e recettori delle cellule T (TCR) trovati rispettivamente nelle cellule B e T. Il processo è una caratteristica distintiva del sistema immunitario adattativo.

La ricombinazione V(D)J nei mammiferi avviene negli organi linfoidi primari (midollo osseo per i linfociti B e timo per i linfociti T) e in modo quasi casuale riorganizza la variabile (V), l'unione (J) e, in alcuni casi, la diversità ( D) segmenti genici. Il processo alla fine si traduce in nuove sequenze di amminoacidi nelle regioni leganti l'antigene delle immunoglobuline e dei TCR che consentono il riconoscimento di antigeni da quasi tutti i patogeni inclusi batteri, virus, parassiti e vermi, nonché "cellule del sé alterate" come visto in cancro. Il riconoscimento può anche essere di natura allergica (per esempio. al polline o ad altri allergeni) o possono corrispondere ai tessuti dell'ospite e portare all'autoimmunità.

Nel 1987, Susumu Tonegawa è stato insignito del Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina "per la sua scoperta del principio genetico per la generazione della diversità anticorpale". [1]


Cos'è l'uracile?

L'uracile è una delle quattro basi azotate nella molecola di RNA che è rappresentata dalla lettera U. È una pirimidina e ha una grande struttura ad anello singolo.

La formula chimica dell'uracile è C4h4n2oh2 e il suo nome IUPAC è Pirimidina-2,4(1H,3H)-dione.

Un uracile è una forma demetilata di una timina, il che significa che un gruppo metilico (CH3) viene rimosso da una molecola di timina al carbonio 5'.

Nell'RNA, l'uracile si lega all'adenina usando due legami idrogeno. Pertanto, l'uracile agisce sia come accettore di legami idrogeno che come donatore di legami idrogeno quando legato con l'adenina.

Questo uracile si lega con uno zucchero pentoso ribosio per formare il ribonucleoside uridina. E, non appena il gruppo fosfato si lega all'uridina, viene prodotta l'uridina 5′-monofosfato.

L'uracile è un acido debole ed è molto resistente all'ossidazione e quindi consente all'RNA di esistere al di fuori del nucleo liberamente senza alcun problema. Questo DNA non può fare.

L'uracile con il suo legame con ribosi e fosfati svolge varie funzioni biologiche come agire come regolatori allosterici, coenzimi per le reazioni, coinvolti nella biosintesi dei polisaccaridi e il trasporto di zuccheri contenenti aldeidi, ecc.

La presenza di uracile nell'RNA come l'mRNA aiuta nella produzione di catene di amminoacidi per produrre proteine. Quasi 37 codoni dei 64 codoni totali dell'mRNA hanno l'uracile che aiuta a codificare le proteine.

Anche la funzione dell'uracile per l'interruzione della sintesi proteica non può essere ignorata. L'uracile è presente in tutti e 3 i codoni di stop: UAA, UAG e UGA.


I vantaggi della biologia sintetica

La biologia è chimica! I sistemi biologici sono spesso presi d'ispirazione nella ricerca di nuove reazioni e catalizzatori. Basti pensare alla cellula di un microrganismo. All'interno, vengono utilizzati enzimi metabolici incredibilmente efficienti per trasformare semplici materiali di partenza abbondanti in prodotti naturali meravigliosamente complessi. I chimici semplicemente non possono competere con la natura in questo senso.

Un bioreattore utilizzato per fermentare l'etanolo dai rifiuti di pannocchia che viene caricato con lievito

Fonte: Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti

Cos'è la biologia sintetica?

La biologia sintetica riguarda la costruzione di sistemi artificiali che possono poi fare qualcosa di utile. Ad esempio, possiamo usare la nostra conoscenza della chimica enzimatica per codificare geneticamente un percorso sintetico all'interno di una sequenza di DNA. Una volta all'interno di un microbo, questo DNA costringerà la cellula a produrre qualunque molecola desideriamo. Per fare un'analogia, questo è l'equivalente di un pallone di reazione che produce tutti i catalizzatori e i reagenti per una sintesi totale desiderata nel punto esatto della via sintetica che sono richiesti, eseguito in acqua utilizzando materiali rinnovabili e completato in meno di un giorno. Se potessimo farlo in laboratorio o su scala industriale, renderebbe qualsiasi processo chimico incredibilmente efficiente.

Microfotografia della sezione trasversale di un seme

Quali sono i vantaggi della biologia sintetica?

Ce ne sono in abbondanza. Per cominciare, i prodotti che vogliamo possono essere derivati ​​direttamente da materie prime come glucosio, CO2 o metano. Una volta che i migliori enzimi sono stati identificati, possono essere spostati tra specie diverse, possiamo anche collegare interi percorsi utilizzando l'ingegneria del genoma. Gli intermedi reattivi e tossici possono essere contenuti all'interno di compartimenti subcellulari, riducendo i rifiuti pericolosi. E il prodotto finale può essere esportato dalla cellula utilizzando percorsi di secrezione naturali, il che significa che non dobbiamo eseguire purificazioni difficili.

Perché la biologia sintetica non viene utilizzata più ampiamente?

Non abbiamo enzimi in grado di eguagliare ogni reazione nota nella chimica organica, quindi la biologia sintetica non può iniziare a competere con la diversità dei composti accessibili tramite metodi tradizionali. Inoltre, molte molecole commercialmente importanti contengono motivi strutturali che non possono essere realizzati utilizzando la chimica enzimatica nota. Per questo motivo, molti bioprocessi attuali producono intermedi sintetici, che vengono poi estratti e poi ulteriormente sviluppati in un laboratorio di chimica sintetica per ottenere il prodotto finito.

Possiamo sviluppare gli enzimi di cui abbiamo bisogno?

Lo speriamo. La biologia moderna sta attualmente cercando di colmare questa lacuna nella reattività utilizzando lo stesso strumento che l'ha potenziata in primo luogo: l'evoluzione.

L'evoluzione diretta è un metodo che cerca di imitare la selezione naturale per ottenere i geni/le funzioni che vogliamo. I ricercatori possono identificare le somiglianze tra le reazioni enzimatiche e le reazioni chimiche in laboratorio e quindi provare ripetutamente a selezionare i geni che mostrano questa funzione. Ciò si traduce in enormi librerie di geni mutati, da cui è possibile identificare varianti altamente attive.

Esistono ora enzimi che possono svolgere funzioni non viste in natura ma che sono molto utili ai chimici. È solo questione di tempo prima che queste nuove famiglie di enzimi designer vengano integrate all'interno di percorsi metabolici ingegnerizzati.

Prelievo di campioni da bioreattori biotecnologici in laboratorio microbiologico.

Questo significa che i chimici non saranno necessari?

Niente affatto – in effetti, significa il contrario. I chimici offrono una comprensione molecolare unica della biologia. Sono indispensabili per la biologia sintetica e l'approccio migliore per creare le molecole di cui abbiamo bisogno probabilmente coinvolgerà l'uso di strumenti di entrambi i campi. C'è molto lavoro che i chimici possono fare, come l'utilizzo di fonti di carbonio sostenibili nei processi esistenti, sviluppando catalizzatori biocompatibili o progettando nuovi cofattori catalitici da utilizzare in metalloenzimi artificiali. Questi sono tutti sviluppi entusiasmanti per i biologi sintetici e significa che il futuro delle due scienze sarà probabilmente ancora più intrecciato.


Un ruolo per l'RNA

Un principio fondamentale della genetica molecolare - il suo dogma centrale - era che il macchinario cellulare trascrive fedelmente le informazioni genetiche da un modello di DNA a doppio filamento in un messaggero di RNA a filamento singolo, che viene quindi tradotto in una proteina. Ma negli anni '80, una manciata di laboratori ha notato che alcune trascrizioni di mRNA contenevano lettere alterate o extra che non erano codificate nel DNA. I risultati sono stati controversi fino a quando gli scienziati hanno scoperto una famiglia di enzimi chiamati adenosina deaminasi che agiscono sull'RNA (ADAR). Queste proteine ​​si legano agli RNA e alterano la loro sequenza modificando una base familiare nota come adenosina in una molecola chiamata inosina. Sebbene non sia una delle basi canoniche dell'RNA, l'inosina viene letta dal meccanismo di traduzione proteica della cellula come la familiare guanosina. Una manciata di altri enzimi che modificano l'RNA sono emersi nello stesso periodo.

Gli scienziati hanno lottato negli ultimi tre decenni per capire cosa realizza esattamente l'editing dell'RNA. Gli editor lavorano solo su RNA a doppio filamento, che a volte si presentano nella cellula come elementi regolatori o come virus. Alcuni hanno ipotizzato che le proteine ​​ADAR si siano evolute come difesa contro i virus, ma molti virus con RNA a doppio filamento non sono influenzati dagli enzimi. L'editing potrebbe svolgere una funzione di regolamentazione, ma la maggior parte dei tessuti adulti non produce gli alti livelli delle proteine ​​necessarie per l'editing.

Il kill-switch per CRISPR che potrebbe rendere più sicuro l'editing genetico

Brenda Bass, biochimica dell'Università dello Utah a Salt Lake City, è stata tra le prime a identificare gli ADAR negli embrioni di rana 2 . Dice che nessuno ha trovato un ruolo specifico per le modifiche apportate agli RNA non codificanti proteine, che rappresentano la maggior parte delle molecole modificate. L'editing potrebbe servire a proteggere gli RNA a doppio filamento dall'attacco immunitario. Bass sospetta che gli ADAR modifichino le trascrizioni a doppio filamento, aggiungendo inosine per dire al corpo di lasciarle stare. Gli enzimi sembrano anche avere un ruolo nello sviluppo embrionale: i topi privi dei geni ADAR muoiono prima della nascita o non vivono molto dopo. Gli editor sembrano anche avere qualche funzione in tessuti selezionati di organismi adulti, come il sistema nervoso dei cefalopodi.

È stata questa attività che ha portato il biologo marino Joshua Rosenthal all'editing dell'RNA nei primi anni 2000. Sembra che cefalopodi altamente intelligenti, come calamari, seppie e polpi, utilizzino ampiamente l'editing dell'RNA per regolare i geni coinvolti nello sviluppo delle cellule nervose e nella trasmissione del segnale. Non è noto che nessun altro animale utilizzi l'editing dell'RNA in questo modo. Ispirato da queste osservazioni, Rosenthal si è chiesto se fosse possibile utilizzare il sistema per correggere i messaggi prodotti da geni disfunzionali in un contesto terapeutico. Nel 2013, il suo gruppo presso l'Università di Porto Rico a San Juan ha riprogettato gli enzimi ADAR e li ha attaccati per guidare gli RNA che si legherebbero a un punto specifico in un mRNA, creando un doppio filamento. Con questi, sono stati in grado di modificare le trascrizioni negli embrioni di rana e persino nelle cellule umane in coltura 3 .

Simile a Stafforst, Rosenthal, ora al Marine Biological Laboratory di Woods Hole, nel Massachusetts, ha visto la sua pubblicazione per lo più ignorata. Un destino simile, apprese, era toccato al lavoro dei ricercatori di una società chiamata Ribozyme, che nel 1995 proponeva l'"editing terapeutico" delle sequenze di RNA mutato inserendo sequenze complementari negli embrioni di rana e consentendo agli ADAR di modificare la molecola a doppio filamento risultante e correggere la mutazione 4 .

Ma negli ultimi anni, molteplici fattori sono confluiti per portare alla ribalta le scoperte di Rosenthal e Stafforst. Peter Beal, un chimico dell'Università della California, Davis, afferma che la pubblicazione 5 del 2016 della struttura molecolare di ADAR legata all'RNA a doppio filamento ha reso il sistema più comprensibile e ha permesso agli scienziati di progettare meglio l'enzima per migliorarne il rilascio o rendere è più efficiente. E nel 2018 la Food and Drug Administration (FDA) statunitense ha approvato la prima terapia che utilizza l'interferenza dell'RNA (RNAi): una tecnica in cui un piccolo pezzo di RNA viene inserito in una cellula in cui si lega agli mRNA nativi e ne accelera la degradazione. L'approvazione ha aperto la porta ad altre terapie che coinvolgono interazioni mRNA, afferma Gerard Platenburg, chief innovation officer di ProQR Therapeutics a Leiden, nei Paesi Bassi, che sta perseguendo varie terapie a base di RNA. "Imparando dal passato e con il numero di approvazioni in aumento, il campo è maturato molto", afferma Plateburg.

Molti vedono l'editing dell'RNA come un'importante alternativa all'editing del DNA utilizzando tecniche come CRISPR. La tecnologia CRISPR sta migliorando, ma l'editing del DNA può causare mutazioni indesiderate in altre parti del genoma - "effetti fuori bersaglio" - che potrebbero creare nuovi problemi.

Il nuovo strumento CRISPR super preciso potrebbe affrontare una pletora di malattie genetiche

Rosenthal si aspetta, inoltre, che l'editing dell'RNA si dimostrerà utile per le malattie senza origine genetica. Attualmente sta usando ADAR per modificare l'mRNA per un gene che codifica per il canale del sodio Nav1.7, che controlla come i segnali del dolore vengono trasmessi al cervello. La modifica permanente del gene Nav1.7 attraverso l'editing del DNA potrebbe eliminare la capacità di provare dolore e interrompere altre funzioni necessarie della proteina nel sistema nervoso, ma sintonizzarlo tramite l'editing dell'RNA in tessuti selezionati per un periodo di tempo limitato potrebbe aiutare ad alleviare dolore senza il rischio di dipendenza o assuefazione associato agli antidolorifici convenzionali.

Allo stesso modo, l'editing dell'RNA potrebbe consentire ai ricercatori di imitare le varianti genetiche che forniscono un vantaggio per la salute. Ad esempio, le persone con determinate mutazioni nel gene PCSK9, che regola il colesterolo nel sangue, tendono ad avere livelli di colesterolo più bassi e modificando PCSK9 L'mRNA potrebbe conferire un vantaggio simile senza interrompere permanentemente le altre funzioni della proteina. L'immunologa Nina Papavasiliou del Centro tedesco di ricerca sul cancro di Heidelberg afferma che l'editing dell'RNA potrebbe essere utilizzato per combattere i tumori. Alcuni tumori dirottano importanti vie di segnalazione cellulare, come quelle coinvolte nella morte o nella proliferazione cellulare. Se gli editor di RNA potessero essere arruolati per disattivare temporaneamente le molecole di segnalazione chiave, dice, "potremmo vedere il tumore morire". Quindi, il paziente potrebbe interrompere la terapia, consentendo al percorso di riprendere le sue normali funzioni.

Come trattamento, l'editing dell'RNA potrebbe avere meno probabilità di causare una reazione immunitaria potenzialmente pericolosa rispetto agli approcci basati su CRISPR. A differenza dell'enzima di modifica del DNA Cas9, che proviene dai batteri, gli ADAR sono proteine ​​umane che non innescano un attacco da parte del sistema immunitario. "Non hai davvero bisogno di macchinari pesanti per colpire l'RNA", afferma Prashant Mali, un bioingegnere dell'Università della California, a San Diego.

In un articolo pubblicato l'anno scorso 6 , Mali ei suoi colleghi hanno iniettato RNA guida in topi nati con una mutazione genetica che causa la distrofia muscolare. Gli RNA guida sono stati progettati per innescare la produzione di una proteina mancante chiamata distrofina. Sebbene il sistema abbia modificato solo una piccola quantità dell'RNA che codifica per la distrofina, ha ripristinato la proteina a circa il 5% del suo livello normale nel tessuto muscolare degli animali, una quantità che ha mostrato un potenziale terapeutico.

Illustrazione di Joanna Gębal

In altre malattie che derivano da una proteina mancante o disfunzionale, come alcuni tipi di emofilia, "fa un'enorme differenza passare dal nulla a qualcosa", afferma Stafforst, e potrebbe non essere necessario modificare l'RNA in ogni cellula del corpo. L'editing dell'RNA potrebbe funzionare meglio delle forme di terapia genica che implicherebbero l'iniezione di un nuovo gene. Mali e altri affermano che dirigere gli ADAR nativi per operare sull'mRNA della cellula potrebbe fornire una risposta più naturale rispetto all'introduzione di un gene esterno e ingegnerizzato.

Tuttavia, la tecnologia di modifica dell'RNA è tutt'altro che perfetta, anche quando si tratta di applicazioni di laboratorio. "Sono i primi giorni", dice Bass. "Ci sono molte domande." Poiché gli ADAR sono molto meno efficienti di CRISPR, potrebbero essere meno utili per produrre piante e animali geneticamente modificati. "Come strumento di ricerca, è molto limitante", afferma Jin Billy Li, genetista della Stanford University in California.

Un altro grande svantaggio è che gli ADAR possono apportare solo pochi tipi di modifiche all'RNA. I sistemi CRISPR agiscono come forbici tagliando il DNA in un punto designato e rimuovendo o inserendo una nuova sequenza Gli ADAR sono più simili a una funzione di sovrascrittura che cambia le lettere chimicamente, senza rompere la "spina dorsale" della molecola di RNA.

Sebbene questo processo abbia meno probabilità di causare mutazioni indesiderate, limita gli enzimi ad apportare cambiamenti specifici: adenosina in inosina nel caso di ADAR e citosina in uridina da un insieme di enzimi chiamati APOBEC (vedi "Le correzioni dell'RNA"). Ci sono alcune altre possibilità. Le piante d'uva, ad esempio, possono trasformare le citidine in uridine e alcuni tumori possono trasformare le guanosine in adenosine. "La biodiversità ci sta dando tonnellate di risposte a queste cose", afferma Rosenthal. "Penso che in fondo, cose come il calamaro ci insegneranno molto". Ma dice che il campo è poco studiato: i ricercatori non capiscono il processo che guida questo editing. E resta da vedere se un enzima vegetale, per esempio, potrebbe funzionare nelle cellule umane.

Gli scienziati stanno già cercando modi per progettare nuovi enzimi che potrebbero espandere le capacità di modifica dell'RNA. "È un bel processo in cui non sai cosa troverai", afferma Omar Abudayyeh, ingegnere biologico presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge. Lavorando con Feng Zhang, un pioniere di CRISPR al MIT, Abudayyeh ei suoi colleghi hanno collegato un enzima ADAR a Cas13 7 . Un enzima batterico simile alla proteina associata a CRISPR Cas9, Cas13 taglia l'RNA invece del DNA. I ricercatori hanno alterato la sequenza dell'ADAR fino a quando non è stato in grado di convertire le citidine in uridine. Hanno quindi utilizzato il nuovo sistema nelle cellule umane per modificare le basi negli mRNA codificati da diversi geni, tra cui APOE. Una variante genetica naturale di questo gene è associata alla malattia di Alzheimer e modificarla potrebbe trasformare la variante in una forma innocua.

Abudayyeh e il suo collaboratore del MIT, l'ingegnere biologico Jonathan Gootenberg, ammettono che è possibile che la modifica della proteina ADAR possa far sì che il sistema immunitario smetta di riconoscerla come proteina umana naturale e attacchi le cellule che la contengono. Ma dicono che poiché queste modifiche sono piccole, questo rischio impallidisce accanto alle preoccupazioni note sul sistema immunitario che attacca Cas13 o sul virus utilizzato per fornire gli strumenti di modifica nelle cellule.

I ricercatori vedono la promessa in un processo naturale chiamato pseudouridilazione, in cui un insieme di enzimi proteici ed RNA modificano chimicamente la struttura delle uridine nell'mRNA. A differenza delle modifiche ADAR, la pseudouridilazione non cambia la sequenza dell'mRNA o della proteina. Invece, per ragioni che non sono del tutto chiare, il processo stabilizza la molecola di RNA e fa sì che il macchinario di traduzione ignori i segnali che gli dicono di smettere di produrre proteine.

La capacità di trasformare queste luci rosse molecolari in luci verdi potrebbe essere potente. Yi-Tao Yu, un biochimico dell'Università di Rochester a New York, afferma che centinaia di malattie genetiche sono causate da mutazioni del DNA che creano segnali di stop errati negli mRNA, risultando in una proteina accorciata che non funziona normalmente nel corpo. "L'elenco è molto lungo", afferma Yu, e include la fibrosi cistica, la sindrome di Hurler, una malattia dell'occhio e numerosi tumori.

Nonostante la sua fase iniziale, i ricercatori - e gli investitori biotecnologici - sono entusiasti dell'ampio potenziale dell'editing dell'RNA. "Ci sono entrato molto prima che diventasse cool", dice Papavasiliou, che sta cercando di mappare dove funzionano gli ADAR naturali nel corpo. "Per molti anni questo è stato un ristagno, e all'improvviso c'è una compagnia che spunta ogni due settimane".

Numerose start-up e affermate società di editing del DNA hanno annunciato la loro intenzione di passare a RNA. Includono Beam Therapeutics a Boston, Massachusetts, che è stata co-fondata da Zhang e Liu e ha sviluppato l'editing del DNA CRISPR come terapia per diverse malattie del sangue. Locana, con sede a San Diego, sta anche perseguendo l'editing dell'RNA basato su CRISPR che spera possa trattare condizioni tra cui la malattia dei motoneuroni e la malattia di Huntington.

Bambini CRISPR: quando sarà pronto il mondo?

La sfida per l'industria è trovare il modo migliore per introdurre gli RNA guida nella cellula senza innescare una reazione immunitaria o causare la degradazione della cellula. Beal afferma che ciò potrebbe includere apportare modifiche chimiche strategiche agli RNA ingegnerizzati che li stabilizzano o incorporarli in una nanoparticella o virus che può intrufolarsi nelle cellule.

E sebbene gli ADAR siano già nelle cellule umane, il corpo umano ne produce solo piccole quantità nella maggior parte dei tessuti, il che significa che qualsiasi terapia potrebbe dover aggiungere ADAR o altri enzimi per aumentare le capacità di modifica delle cellule. Impacchettare virus con i geni che codificano tutti i macchinari necessari per l'editing dell'RNA potrebbe non essere efficiente. Molti sperano che non sarà necessario.

Platenburg spera di aggiungere RNA e fare affidamento sugli ADAR presenti in natura per aiutare a correggere le scritte degli mRNA che contribuiscono ai disturbi della retina. "Usiamo il sistema che ci è stato dato dalla natura e lo sfruttiamo", dice.

I ricercatori, tra cui Stafforst, sono RNA guida ingegneristici con modifiche chimiche che attirano gli ADAR nella cellula verso il sito di editing. Ma alcuni ricercatori temono che l'arruolamento degli ADAR naturali nella modifica di specifici mRNA potrebbe allontanarli dai loro normali compiti e causare altri problemi di salute. L'alterazione dell'espressione genica in una parte del corpo potrebbe influenzare altre parti in modi imprevisti. Nello studio sulla distrofia muscolare del Mali, ad esempio, i topi hanno sviluppato problemi al fegato per ragioni sconosciute. "È uno strumento ancora in fase di sviluppo", afferma.

"ADAR si è evoluto per consentire al corpo di modificare le basi in modo molto mirato", afferma Nessan Bermingham, amministratore delegato e co-fondatore con Rosenthal e altri della società di biotecnologie Korro Bio a Cambridge, nel Massachusetts. Bermingham è ottimista sulle prospettive dell'editing dell'RNA, ma cauto nel non anticipare la biologia. "Abbiamo molto lavoro da fare quando iniziamo a maturare queste tecniche", dice. "Non tralasciamo nulla, ma dobbiamo riconoscere alcuni limiti".

Natura 578, 24-27 (2020)


Spazzatura o da scoprire?

Fare una proteina non è semplice come seguire una ricetta di un libro di cucina. Le proteine ​​si formano quando il DNA subisce un processo chiamato trascrizione. Ciò è necessario, poiché gli enzimi che producono le proteine ​​possono leggere il DNA. Le informazioni codificate nel DNA vengono copiate su una nuova molecola chiamata RNA messaggero (mRNA). Come il DNA, anche l'mRNA ha 4 basi nucleotidiche, ma la timina (T) è sostituita dall'uracile (U). Un'altra differenza è che l'mRNA è una molecola a singolo filamento.

DNA e RNA (credito fotografico: ShadeDesign/Shutterstock)

Durante la trascrizione, l'mRNA viene sminuzzato e ricongiunto. Questo è noto come splicing dell'RNA. Questo viene fatto perché le sezioni del gene non danno il "senso della proteina" e sono chiamate introni. Durante lo splicing dell'RNA, questi bit vengono tagliati e scartati. Si potrebbe dire che questi pezzi si perdono nella trascrizione!

Meccanismo di splicing dell'mRNA (Photo Credit: Udayadaithya M V)/Shutterstock)

Questi segmenti non codificanti scartati hanno sconcertato gli scienziati per decenni. Gli introni erano un'assurdità confusa tra i geni. Non avendo uno scopo apparente, molti scienziati pensavano che fosse inutile. Nel 1972, Susumu Ohno, un genetista, ha coniato il termine "DNA spazzatura" per spiegare in modo accattivante questo spreco di DNA. A volte veniva anche chiamato "DNA egoista", poiché sembrava esistere esclusivamente per se stesso, senza contribuire in alcun modo alla sopravvivenza dell'organismo.

Il dogma centrale dell'espressione genica (Photo Credit: udaix/Shutterstock)

Tuttavia, diversi scienziati credevano che questi grandi pezzi di DNA non dovessero essere etichettati così frettolosamente come "inutili". Se stai leggendo questo articolo e conoscessi solo dieci parole della lingua inglese, penseresti che tutto in questo articolo tranne quelle dieci parole non ha senso? Allo stesso modo, gli scienziati credevano che la funzione di questo cosiddetto DNA "spazzatura" dovesse semplicemente essere ancora scoperta.


Perché abbiamo ancora il DNA mitocondriale?

Il mitocondrio non è il batterio che era al suo apice, diciamo due miliardi di anni fa. Da quando è stato consumato dal nostro comune antenato unicellulare, l'organello "centrale energetico" ha perso la maggior parte dei suoi oltre 2000 geni, probabilmente a causa del nucleo. Ce ne sono ancora una manciata, a seconda dell'organismo, ma la domanda è perché. Una spiegazione, afferma un matematico e biologo che ha analizzato la perdita di geni nei mitocondri nel corso del tempo evolutivo, è che il DNA mitocondriale è troppo importante per codificare all'interno del nucleo e si è quindi evoluto per resistere all'ambiente dannoso all'interno del mitocondrio. Il loro studio appare il 18 febbraio in Sistemi cellulari.

"Non è che i geni 'persi' non esistano più in molti casi, è che il nucleo produce le proteine ​​e le proteine ​​vanno nei mitocondri, ma perché preoccuparsi di avere qualcosa nei mitocondri quando potresti avere tutto nel nucleo?" afferma il coautore Ben Williams, un borsista post-dottorato presso il Whitehead Institute for Biomedical Research. "È come dire che hai una biblioteca centrale con tutti i tuoi libri, ma ne terremo 10 fuori sede in un capannone che perde".

Nonostante la nostra relazione a lungo termine con i mitocondri, molto del modo in cui le nostre cellule e questi organelli commensali lavorano insieme è ancora misterioso e controverso. Sappiamo che l'acquisizione dei mitocondri potrebbe aver innescato uno degli eventi evolutivi più importanti della storia, dando all'antenato comune degli eucarioti (il nostro regno della vita) l'energia per diventare multicellulare. E sappiamo che ciascuna delle nostre cellule può possedere dozzine o centinaia di mitocondri, che sono essenziali per alimentare tutto, dai muscoli al cervello. Ma la cosa strana è che in quasi tutti gli organismi multicellulari, i mitocondri sono rimasti indipendenti trattenendo alcuni geni vitali, nonostante il fatto che potrebbe essere più sicuro per la cellula immagazzinare questi geni nel nucleo.

Per capire cosa rende così essenziali i pochi geni nei mitocondri, Williams e l'autore principale Iain Johnston, ricercatore presso l'Università di Birmingham, hanno preso tutti i dati generati sui geni mitocondriali e li hanno inseriti in un computer. Dopo alcune settimane, con l'algoritmo sviluppato da Johnston, il computer ha riportato indietro una linea temporale per la perdita di geni mitocondriali nella storia evolutiva.

"Le ipotesi alla base delle potenziali ragioni per cui i mitocondri mantengono i propri geni sono state dibattute per decenni, e questo è il primo approccio basato sui dati per affrontare questa domanda", afferma Johnston. "È facilitato dal fatto che sono disponibili migliaia di genomi mitocondriali provenienti da una serie molto ampia e diversificata di taxa, quindi ora possiamo sfruttare i dati e lasciare che parlino da soli".

L'analisi ha rivelato che i geni che sono trattenuti nei mitocondri sono legati alla costruzione della struttura interna dell'organello, sono altrimenti a rischio di essere mal riposti dalla cellula, e il DNA in questi geni usa un modello molto antico che consente al DNA mitocondriale di legare insieme e resistere alla rottura. Williams e Johnston credono che questo disegno, che non si trova tipicamente nel nostro DNA, sia probabilmente ciò che impedisce ai geni mitocondriali di rompersi durante la produzione di energia mitocondriale.

Quando l'energia viene prodotta all'interno dei mitocondri, sotto forma di ATP, vengono emessi radicali liberi, gli stessi radicali liberi che sono un sottoprodotto comune delle radiazioni. In sostanza, il potere prodotto dai mitocondri arriva con una certa quantità di distruzione, e potrebbe essere che i mitocondri siano in grado di resistere a questo danno. "Hai bisogno di specialisti che possano lavorare in questo ambiente ridicolmente estremo perché il nucleo non è necessario nella misura migliore", afferma Williams.

I ricercatori hanno anche osservato che la perdita del gene mitocondriale che ha avuto luogo nel regno degli eucarioti ha seguito lo stesso schema. Questa è una lezione che l'evoluzione può seguire lo stesso percorso molte volte, e non è sempre questo processo del tutto casuale. Nell'ambiente cellulare, l'evoluzione della perdita di geni mitocondriali è diventata quasi prevedibile tra diversi organismi. "Se possiamo sfruttare i dati su ciò che l'evoluzione ha fatto in passato e fare affermazioni predittive su dove andrà dopo, le possibilità di esplorare la biologia sintetica e le malattie sono enormi", afferma Johnston.

Usando il loro algoritmo, il duo ha in programma di esplorare le ragioni dei cloroplasti e dove le malattie mitocondriali, che sono spesso piuttosto devastanti, si inseriscono in questo quadro più ampio. Sebbene questo studio non chiuda la porta sul motivo per cui abbiamo ancora il DNA mitocondriale, gli autori affermano che trova una via di mezzo per molti argomenti diversi nel dibattito.

Sistemi cellulari, Johnston e Williams: "L'inferenza evolutiva tra gli eucarioti identifica pressioni multiple che favoriscono la ritenzione del gene mtDNA" http://dx. doi. org/ 10. 1016/ j. cel. 2016. 01. 013

Sistemi cellulari (@CellSystemsCP), pubblicato da Cell Press, è una rivista mensile con articoli che forniscono, supportano o applicano la comprensione a livello di sistema nelle scienze della vita e nelle discipline correlate. La ricerca descrive nuove scoperte, traguardi traguardi, ricerca applicata, risultati traslazionali, strumenti o risorse ampiamente utili o approfondimenti sull'uso della tecnologia. Per ulteriori informazioni, visitare http://www. cellula. com/cell-systems. Per ricevere avvisi multimediali di Cell Press, contattare [email protected]

Disclaimer: AAAS e EurekAlert! non sono responsabili dell'accuratezza dei comunicati stampa pubblicati su EurekAlert! da istituzioni contribuenti o per l'utilizzo di qualsiasi informazione attraverso il sistema EurekAlert.


Chi sono i leader in questo campo? Cosa stanno facendo?

Gli scienziati in prima linea nella rivoluzione informatica del DNA sono davvero una razza brillante. Tutto è stato avviato da un professore di informatica alla USC di nome Leonard M. Adleman, che ha utilizzato il DNA ricombinante per risolvere un semplice problema di percorso hamiltoniano classificato come NP-completo. Il suo articolo nel numero di novembre '94 della rivista Science, Molecular Computations of Solutions to Combinatorial Problems, ha dato il via all'attuale ondata di interesse per il calcolo molecolare. Il problema del cammino hamiltoniano, su larga scala, è effettivamente irrisolvibile dai sistemi informatici convenzionali (è teoricamente possibile, ma richiederebbe un estremamente a lungo).

Il suo lavoro è stato raccolto dal Dr. Donald Beaver, tra gli altri, che ha analizzato l'approccio e l'ha organizzato in una pagina web altamente accessibile che include una concisa bibliografia annotata. Uno dei principali contributori a questa pagina è il gruppo di ricerca del Dr. Richard Lipton, Dan Boneh e Christopher Dunworth, un professore di informatica e due studenti laureati alla Princeton University. Attualmente stanno utilizzando un computer DNA per violare lo standard di crittografia dei dati (DES) del governo, come descritto nell'articolo Breaking DES using a Molecular Computer.


23.2: Regolazione genica: Eucariotica

Come è stato notato in precedenza, la regolamentazione è tutta una questione di processo decisionale. La regolazione genica, come argomento generale, è correlata al prendere decisioni sull'espressione funzionale del materiale genetico. Che il prodotto finale sia una specie di RNA o una proteina, la produzione del prodotto finale espresso richiede processi che richiedono più passaggi. Abbiamo passato un po' di tempo a discutere alcuni di questi passaggi (cioè trascrizione e traduzione) e alcuni dei meccanismi che la natura utilizza per rilevare le informazioni cellulari e ambientali per regolare l'inizio della trascrizione.

Quando abbiamo discusso il concetto di promotori forti e deboli, abbiamo introdotto l'idea che anche la regolazione della quantità (numero di molecole) di trascrizione prodotta da un promotore in una certa unità di tempo potrebbe essere importante per la funzione. Questo non dovrebbe essere del tutto sorprendente. Per un gene che codifica per proteine, più trascrizione viene prodotta, maggiore è il potenziale per produrre più proteine. Questo potrebbe essere importante nei casi in cui la produzione di molti di un particolare enzima è la chiave per la sopravvivenza. Al contrario, in altri casi è necessaria solo una piccola quantità di proteine ​​e farne troppe sarebbe uno spreco di risorse cellulari. In questo caso potrebbero essere preferiti bassi livelli di trascrizione. I promotori di diversi punti di forza possono soddisfare queste diverse esigenze. Per quanto riguarda il numero di trascrizione, abbiamo anche brevemente accennato al fatto che la sintesi non è l'unico modo per regolare l'abbondanza. Anche i processi di degradazione sono importanti da considerare.

In questa sezione, aggiungiamo a questi temi concentrandoci sui processi regolatori eucariotici. Nello specifico, esaminiamo - e talvolta riesaminiamo - alcuni dei molteplici passaggi necessari per esprimere il materiale genetico negli organismi eucarioti nel contesto della regolazione. Vogliamo che tu non solo pensi ai processi, ma anche che riconosca che ogni fase del processo di espressione è anche un'opportunità per mettere a punto non solo l'abbondanza di una trascrizione o di una proteina, ma anche il suo stato funzionale, forma (o variante), e/o stabilità. Ciascuno di questi fattori aggiuntivi può anche essere di vitale importanza da considerare per influenzare l'abbondanza di varianti funzionali condizionalmente specifiche.

Differenze strutturali tra cellule batteriche ed eucariotiche che influenzano la regolazione genica

Il segno distintivo della cellula eucariotica è il nucleo, una doppia membrana che racchiude il materiale ereditario della cellula. Per inserire in modo efficiente il DNA dell'organismo nello spazio ristretto del nucleo, il DNA viene prima impacchettato e organizzato dalle proteine ​​in una struttura chiamata cromatina. Questo confezionamento del materiale nucleare riduce l'accesso a parti specifiche della cromatina. In effetti, alcuni elementi del DNA sono così fitti che il meccanismo trascrizionale non può accedere a siti regolatori come i promotori. Ciò significa che uno dei primi siti di regolazione trascrizionale negli eucarioti deve essere l'accesso di controllo al DNA stesso. Le proteine ​​della cromatina possono essere soggette a modificazioni enzimatiche che possono influenzare se si legano strettamente (accesso trascrizionale limitato) o più debolmente (accesso trascrizionale maggiore) a un segmento di DNA. Questo processo di modifica, qualunque sia la direzione considerata per prima, è reversibile. Pertanto il DNA può essere sequestrato dinamicamente e reso disponibile quando il "tempo è giusto".

La regolazione dell'espressione genica negli eucarioti coinvolge anche alcuni degli stessi meccanismi fondamentali aggiuntivi discussi nel modulo sulla regolazione batterica (cioè l'uso di promotori forti o deboli, fattori di trascrizione, terminatori ecc.) ma il numero effettivo di proteine ​​coinvolte è tipicamente molto maggiore negli eucarioti rispetto ai batteri o agli archei.

L'elaborazione enzimatica post-trascrizionale dell'RNA che si verifica nel nucleo e l'esportazione dell'mRNA maturo nel citosol sono due ulteriori differenze tra la regolazione del gene batterico ed eucariotico. Considereremo questo livello di regolamentazione in maggior dettaglio di seguito.

Rappresentazione di alcune differenze chiave tra i processi di espressione genica batterica ed eucariotica. Si noti in questo caso la presenza di istoni e modificatori dell'istone, lo splicing del pre-mRNA e l'esportazione dell'RNA maturo dal nucleo come differenziatori chiave tra i sistemi batterico ed eucariotico.
Attribuzione: Marc T. Facciotti (opera propria)

Impacchettamento del DNA e marcatori epigenetici

Il DNA nelle cellule eucariotiche è precisamente avvolto, piegato e compattato in cromosomi in modo che si inserisca nel nucleo. È anche organizzato in modo che sia possibile accedere facilmente a segmenti specifici dei cromosomi in base alle esigenze della cellula. Le aree dei cromosomi che sono più strettamente compattate saranno più difficili da legare per le proteine ​​e quindi porteranno a una ridotta espressione genica dei geni codificati in quelle aree. Le regioni del genoma che sono poco compattate saranno più facilmente accessibili per le proteine, aumentando così la probabilità che il gene venga trascritto. Qui vengono discussi i modi in cui le cellule regolano la densità della compattazione del DNA.

Imballaggio del DNA

Il primo livello di organizzazione, o imballaggio, è l'avvolgimento dei filamenti di DNA attorno alle proteine. Gli istoni impacchettano e ordinano il DNA in unità strutturali chiamate , che possono controllare l'accesso delle proteine ​​a specifiche regioni del DNA. Al microscopio elettronico, questo avvolgimento del DNA attorno alle proteine ​​istoniche per formare i nucleosomi sembra piccole perline su un filo. Queste perline (complessi nucleosomiali) possono muoversi lungo il filo (DNA) per alterare quali aree del DNA sono accessibili al macchinario trascrizionale. Mentre i nucleosomi possono muoversi per aprire la struttura cromosomica per esporre un segmento di DNA, lo fanno in modo molto controllato.

Il DNA viene ripiegato attorno alle proteine ​​istoniche per creare (a) complessi nucleosomi. Questi nucleosomi controllano l'accesso delle proteine ​​al DNA sottostante. Se visti attraverso un microscopio elettronico (b), i nucleosomi sembrano perline su una corda. (credito &ldquomicrograph&rdquo: modifica del lavoro di Chris Woodcock)

Modifica dell'istone

Il modo in cui si muovono le proteine ​​istoniche dipende dai segnali chimici presenti sia sulle proteine ​​istoniche che sul DNA. Questi segnali chimici sono tag chimici aggiunti alle proteine ​​istoniche e al DNA che dicono agli istoni se una regione cromosomica deve essere "aperta" o "chiusa". La figura seguente illustra le modifiche alle proteine ​​istoniche e al DNA. Questi tag non sono permanenti, ma possono essere aggiunti o rimossi secondo necessità. Sono modificazioni chimiche (gruppi fosfato, metile o acetile) che sono attaccati a specifici amminoacidi nelle proteine ​​istoniche o ai nucleotidi del DNA. I tag non alterano la sequenza di basi del DNA, ma alterano quanto strettamente avvolto il DNA è attorno alle proteine ​​dell'istone.Il DNA è una molecola carica negativamente, quindi, i cambiamenti nella carica dell'istone cambieranno quanto sarà strettamente ferita la molecola di DNA. Quando non modificate, le proteine ​​dell'istone hanno una grande carica positiva aggiungendo modifiche chimiche come i gruppi acetile, la carica diventa meno positiva.

I nucleosomi possono scorrere lungo il DNA. Quando i nucleosomi sono molto vicini tra loro (in alto), i fattori di trascrizione non possono legarsi e l'espressione genica viene disattivata. Quando i nucleosomi sono distanziati l'uno dall'altro (in basso), il DNA è esposto. I fattori di trascrizione possono legarsi, consentendo l'espressione genica. Le modifiche agli istoni e al DNA influenzano la spaziatura dei nucleosomi.

Perché le proteine ​​istoniche hanno normalmente una grande quantità di cariche positive (gli istoni contengono un alto numero di aminoacidi lisina). La rimozione delle cariche positive causerebbe un inasprimento o un allentamento dell'interazione istone-DNA?

Prevedere lo stato degli istoni nelle aree del genoma che vengono trascritte regolarmente. In che modo questi differiscono dalle aree che non presentano alti livelli di trascrizione?

Modifica del DNA

Anche la stessa molecola di DNA può essere modificata. Ciò si verifica all'interno di regioni molto specifiche chiamate isole CpG. Questi sono tratti con un'alta frequenza di coppie di DNA di citosina e guanina dinucleotide (CG) spesso presenti nelle regioni promotrici dei geni. Quando questa configurazione esiste, il membro della citosina della coppia può essere metilato (viene aggiunto un gruppo metilico). Questa modifica cambia il modo in cui il DNA interagisce con le proteine, comprese le proteine ​​istoniche che controllano l'accesso alla regione. Le regioni di DNA altamente metilate (ipermetilate) con istoni deacetilati sono strettamente arrotolate e trascrizionalmente inattive.

I cambiamenti epigenetici non comportano cambiamenti permanenti nella sequenza del DNA. I cambiamenti epigenetici alterano la struttura della cromatina (complesso proteina-DNA) per consentire o negare l'accesso ai geni trascritti. La modifica del DNA come la metilazione sui nucleotidi della citosina può reclutare proteine ​​repressive che bloccano l'accesso dell'RNA polimerasi per trascrivere un gene o possono aiutare a compattare il DNA per bloccare l'accesso di tutte le proteine ​​a quell'area del genoma. Questi cambiamenti sono reversibili mentre le mutazioni non lo sono, tuttavia, anche i cambiamenti epigenetici del cromosoma possono essere ereditati.
Fonte: modificata da https://researcherblogski.wordpress. r/dudiwarsito/

La regolazione dell'espressione genica attraverso il rimodellamento della cromatina è chiamata regolazione epigenetica. Epigenetico significa "intorno alla genetica". I cambiamenti che si verificano alle proteine ​​istoniche e al DNA non alterano la sequenza nucleotidica e non sono permanenti. Invece, questi cambiamenti sono temporanei (sebbene spesso persistano attraverso più cicli di divisione cellulare e possano essere ereditati) e alterano la struttura cromosomica (aperta o chiusa) secondo necessità.

Guarda questo video che descrive come la regolazione epigenetica controlla l'espressione genica.

Struttura del gene eucariotico e elaborazione dell'RNA

Struttura del gene eucariotico

Molti geni eucariotici, in particolare quelli che codificano per prodotti proteici, sono codificati sul genoma. Cioè, la regione codificante viene spezzata in pezzi intervenendo su elementi genici non codificanti. Le regioni codificanti sono denominate mentre gli elementi non codificanti intermedi sono denominati . La figura seguente mostra un gene eucariotico generico.

Le parti di un tipico gene eucariotico discontinuo. Attribuzione: Marc T. Facciotti (opera propria)

Parti di un gene eucariotico generico includono elementi familiari come un promotore e un terminatore. Tra questi due elementi, la regione che codifica tutti gli elementi del gene che hanno il potenziale per essere tradotti (non hanno codoni di stop), come nei sistemi batterici, è chiamata open reading frame (ORF). Gli elementi potenziatori e/o silenziatori sono regioni del DNA che servono a reclutare proteine ​​regolatrici. Questi possono essere relativamente vicini al promotore, come nei sistemi batterici, o lontani migliaia di nucleotidi. Presenti anche in molti trascritti batterici, esistono anche regioni non tradotte 5' e 3' (UTR). Queste regioni del gene codificano segmenti del trascritto, che, come suggeriscono i loro nomi, non sono tradotti e si trovano rispettivamente in 5' e 3' nell'ORF. Gli UTR codificano tipicamente alcuni elementi regolatori critici per la regolazione della trascrizione o fasi dell'espressione genica che si verificano dopo la trascrizione.

Anche le specie di RNA risultanti dalla trascrizione di questi geni sono discontinue e devono quindi essere processate prima di uscire dal nucleo per essere tradotte o utilizzate nel citosol come RNA maturi. Nei sistemi eucariotici questo include lo splicing dell'RNA, il capping 5', la scissione dell'estremità 3' e la poliadenilazione. Questa serie di passaggi è un processo molecolare complesso che deve avvenire all'interno dei confini chiusi del nucleo. Ognuno di questi passaggi offre l'opportunità di regolare l'abbondanza di trascrizioni esportate e le forme funzionali che assumeranno queste trascrizioni. Anche se questi sarebbero argomenti per corsi più avanzati, pensa a come inquadrare alcuni dei seguenti argomenti come sottoproblemi della Design Challenge della regolazione genetica. Se non altro, inizia ad apprezzare la danza molecolare altamente orchestrata che deve verificarsi per esprimere un gene e come questo sia uno straordinario pezzo di ingegneria evolutiva.

5' capping

Come nei sistemi batterici, i sistemi eucariotici devono assemblare un complesso di pre-iniziazione in corrispondenza e intorno alla sequenza del promotore per avviare la trascrizione. I complessi che si assemblano negli eucarioti svolgono molte delle stesse funzioni di quelli nei sistemi batterici, ma sono significativamente più complessi e coinvolgono molte più proteine ​​regolatrici. Questa maggiore complessità consente un maggior grado di regolazione e l'assemblaggio di proteine ​​con funzioni che si verificano prevalentemente nei sistemi eucariotici. Una di queste funzioni aggiuntive è il "capping" delle trascrizioni nascenti.

Nei geni che codificano le proteine ​​eucariotiche, l'RNA che viene prodotto per primo è chiamato pre-mRNA. Il prefisso "pre" significa che questo non è l'mRNA maturo completo che verrà tradotto e che prima richiede un'elaborazione. La modifica nota come 5'-capping si verifica dopo che il pre-mRNA è lungo circa 20-30 nucleotidi. A questo punto il pre-RNA riceve tipicamente la sua prima modifica post-trascrizionale, un 5'-cap. Il "cap" è una modificazione chimica - una 7-metilguanosina - la cui aggiunta all'estremità 5' del trascritto è catalizzata enzimaticamente da più enzimi chiamati capping enzima complex (CEC) un gruppo di più enzimi che effettuano passaggi sequenziali coinvolti nell'aggiunta del 5'-cap. Il CEC si lega alla RNA polimerasi molto presto nella trascrizione ed effettua una modifica del trifosfato 5', il successivo trasferimento di a GTP a tal fine (collegando i due nucleotidi utilizzando un legame unico 5'-to-5'), il metilazione della guanina appena trasferita e in alcuni trascritti le ulteriori modifiche ai primi nucleotidi. Questo 5'-cap sembra funzionare proteggendo il trascritto emergente dalla degradazione ed è rapidamente legato da proteine ​​leganti l'RNA note come cap-binding complex (CBC). Ci sono alcune prove che questa modifica e le proteine ​​ad essa legate svolgano un ruolo nel prendere di mira la trascrizione per l'esportazione dal nucleo. La protezione dell'RNA nascente dalla degradazione non è solo importante per conservare l'energia investita nella creazione del trascritto, ma è chiaramente coinvolta nella regolazione dell'abbondanza di trascritto completamente funzionante che viene prodotto. Inoltre, il ruolo del 5'-cap nel guidare il trascritto per l'esportazione aiuterà direttamente a regolare non solo la quantità di trascritto che viene prodotto ma, forse ancora più importante, la quantità di trascritto che viene esportato nel citoplasma che ha il potenziale da tradurre.

La struttura di un tipico cappuccio di 7-metilguanilato. Attribuzione: Marc T. Facciotti (opera propria)

Giunzione della trascrizione

I trascritti nascenti devono essere elaborati in RNA maturi unendo gli esoni e rimuovendo gli introni interposti. Ciò è ottenuto da un complesso multicomponente di RNA e proteine ​​chiamato spliceosoma. Il complesso dello spliceosoma si assembla sul trascritto nascente e in molti casi a questo punto vengono prese le decisioni su quali introni combinare in un trascritto maturo. Il modo in cui queste decisioni vengono prese non è ancora completamente compreso, ma implica il riconoscimento di specifiche sequenze di DNA nei siti di splicing da parte di specie di RNA e proteine ​​e diversi eventi catalitici. È interessante notare che la porzione catalitica dello spliceosoma è costituita da RNA anziché da proteine. Ricordiamo che il ribosoma è un altro esempio di complesso RNA-proteina in cui l'RNA funge da componente catalitico primario. La selezione della variante di giunzione da realizzare è una forma di regolazione dell'espressione genica. In questo caso, invece di influenzare semplicemente l'abbondanza di una trascrizione, lo splicing alternativo consente alla cellula di prendere decisioni su quale forma di trascrizione viene eseguita.

Le forme di giunzione alternative dei geni che danno luogo a prodotti proteici di struttura correlata ma con funzione variabile sono note come . La creazione di isoforme è comune nei sistemi eucariotici ed è nota per essere importante nelle diverse fasi di sviluppo negli organismi multicellulari e nella definizione delle funzioni dei diversi tipi cellulari. Codificando più possibili prodotti genici da un singolo gene il cui inizio della trascrizione è codificato da un singolo sito di regolazione trascrizionale (prendendo la decisione di quale prodotto finale produrre dopo la trascrizione) si elimina la necessità di creare e mantenere copie indipendenti di ciascun gene in diverse parti del genoma e siti regolatori indipendenti in evoluzione. Pertanto, la capacità di formare più isoforme da una singola regione codificante è evolutivamente vantaggiosa perché consente una certa efficienza nella codifica del DNA, riduce al minimo la complessità regolatoria trascrizionale e può ridurre il carico energetico di mantenere più DNA e proteggerlo dalla mutazione. Alcuni esempi di possibili risultati dello splicing alternativo possono includere: la generazione di varianti enzimatiche con affinità di substrato differenziale o velocità catalitiche sequenze segnale che indirizzano le proteine ​​a vari compartimenti subcellulari possono essere modificate funzioni completamente nuove, tramite lo scambio di domini proteici possono essere create . Questi sono solo alcuni esempi.

Un ulteriore interessante possibile risultato dello splicing alternativo è l'introduzione di codoni di stop che possono, attraverso un meccanismo che sembra richiedere la traduzione, portare al decadimento mirato della trascrizione. Ciò significa che, oltre al controllo dell'inizio della trascrizione e del 5'-capping, anche lo splicing alternativo può essere considerato uno dei meccanismi regolatori che possono influenzare l'abbondanza del trascritto. Gli effetti dello splicing alternativo sono quindi potenzialmente ampi: dalla completa perdita di funzione alla funzione nuova e diversificata fino agli effetti regolatori.

Una figura raffigurante alcune delle diverse modalità di splicing alternativo che illustra come diverse varianti di splicing possono portare a diverse forme proteiche.
Attribuzione: Marc T. Facciotti (opera propria)

Scissione dell'estremità 3' e poliadenilazione

Un'ultima modifica viene apportata ai pre-mRNA nascenti prima che lascino il nucleo: la scissione dell'estremità 3' e la sua poliadenilazione. Questo processo in due fasi è catalizzato da due diversi enzimi (come illustrato di seguito) e può decorare l'estremità 3' dei trascritti con un massimo di quasi 200 nucleotidi. Questa modifica migliora la stabilità della trascrizione. In genere, più As nel tag polyA è maggiore la durata della trascrizione. Il tag polyA sembra anche svolgere un ruolo nell'esportazione della trascrizione dal nucleo. Pertanto, il tag 3' polyA svolge un ruolo nell'espressione genica regolando l'abbondanza di trascrizione funzionale e quanto viene esportato dal nucleo per la traduzione.

Un processo in due fasi è coinvolto nella modifica delle estremità 3' delle trascrizioni prima delle esportazioni nucleari. Questi includono il taglio di trascrizioni appena a valle di una sequenza conservata (AAUAAA) e il trasferimento di gruppi adenilato. Entrambi i processi sono catalizzati enzimaticamente.
Attribuzione: Marc T. Facciotti (opera propria)

MicroRNA

Stabilità dell'RNA e microRNA

Oltre alle modificazioni del pre-RNA sopra descritte e delle proteine ​​associate che si legano al nascente e ai trascritti, ci sono altri fattori che possono influenzare la stabilità dell'RNA nella cellula. Un esempio sono gli elementi chiamati microRNA. I microRNA, o miRNA, sono brevi molecole di RNA lunghe solo 21 e 24 nucleotidi. I miRNA sono trascritti nel nucleo come pre-miRNA più lunghi. Questi pre-miRNA vengono successivamente tagliati in miRNA maturi da una proteina chiamata dicer. Questi miRNA maturi riconoscono una sequenza specifica di un RNA bersaglio attraverso l'appaiamento di basi complementari. i miRNA, tuttavia, si associano anche a un complesso ribonucleoproteico chiamato complesso di silenziamento indotto dall'RNA (RISC). RISC lega un mRNA bersaglio, insieme al miRNA, per degradare l'mRNA bersaglio. Insieme, i miRNA e il complesso RISC distruggono rapidamente la molecola di RNA. Come ci si potrebbe aspettare, anche la trascrizione dei pre-miRNA e la loro successiva elaborazione sono strettamente regolate.

Esportazione nucleare

Esportazione nucleare

Le trascrizioni mature e completamente elaborate devono essere esportate attraverso il nucleo. Non sorprende che questo processo comporti il ​​coordinamento di una specie di RNA maturo a cui sono legate molte proteine ​​accessorie - alcune delle quali sono state intimamente coinvolte nelle modificazioni discusse sopra - e un complesso proteico chiamato . Il trasporto attraverso l'NPC consente al flusso di proteine ​​e specie di RNA di muoversi in entrambe le direzioni ed è mediato da un numero di proteine. Questo processo può essere utilizzato per regolare selettivamente il trasporto di vari trascritti a seconda di quali proteine ​​si associano al trascritto in questione. Ciò significa che non tutte le trascrizioni sono trattate allo stesso modo dall'NPC - a seconda dello stato di modifica e delle proteine ​​​​associate a una specifica specie di RNA, può essere spostato in modo più o meno efficiente attraverso la membrana nucleare. Poiché la velocità di movimento attraverso il poro influenzerà l'abbondanza di trascritto maturo che viene esportato nel citosol per il controllo dell'esportazione della traduzione è un altro esempio di un passaggio nel processo di regolazione genica che può essere modulato. Inoltre, recenti ricerche hanno implicato interazioni tra NPC e fattori di trascrizione nella regolazione dell'inizio della trascrizione, probabilmente attraverso un meccanismo per cui i fattori di trascrizione si legano ai pori nucleari. Quest'ultimo esempio dimostra quanto sia interconnessa la regolazione dell'espressione genica attraverso le molteplici fasi di questo complesso processo.

Molti dettagli aggiuntivi dei processi descritti sopra sono noti a un certo livello di dettaglio, ma rimangono molte altre domande a cui rispondere. Per il bene di Bis2a è sufficiente iniziare a formare un modello dei passaggi che si verificano nella produzione di un trascritto maturo negli organismi eucarioti. Abbiamo dipinto un quadro con tratti molto ampi, cercando di presentare una scena che riflettesse ciò che accade generalmente in tutti gli eucarioti. Oltre ad apprendere le principali caratteristiche differenzianti della regolazione genica eucariotica, vorremmo anche che gli studenti di Bis2a iniziassero a pensare a ciascuno di questi passaggi come un'opportunità per la Natura di regolare in qualche modo l'espressione genica e di essere in grado di razionalizzare come carenze o cambiamenti in queste vie - potenzialmente introdotte tramite mutazione - potrebbero influenzare l'espressione genica.

Anche se non abbiamo menzionato esplicitamente la Design Challenge o Energy Story qui, questi formalismi sono ugualmente abili nell'aiutarti a dare un senso a ciò che viene descritto. Ti invitiamo a provare a creare una Energy Story per vari processi. Ti invitiamo inoltre a utilizzare la rubrica Design Challenge per riesaminare le storie di cui sopra: identificare i problemi che devono essere risolti, ipotizzare potenziali soluzioni e criteri di successo. Usa i formalismi per scavare più a fondo e porre nuove domande/identificare nuovi problemi o cose che non conosci sui processi è ciò che fanno gli esperti. È probabile che fare questo esercizio suggerito ti porterà a identificare una direzione di ricerca che qualcuno ha già perseguito (ti sentirai piuttosto intelligente al riguardo!). In alternativa, potresti sollevare una domanda nuova di zecca a cui nessuno ha ancora pensato.

Controllo dell'abbondanza di proteine

Dopo che un mRNA è stato trasportato nel citoplasma, viene tradotto in proteina. Il controllo di questo processo dipende in gran parte dalla molecola di RNA. Come discusso in precedenza, la stabilità dell'RNA avrà un grande impatto sulla sua traduzione in una proteina. Quando la stabilità cambia, cambia anche la quantità di tempo disponibile per la traduzione.

Il complesso di iniziazione e il tasso di traduzione

Come la trascrizione, la traduzione è controllata da complessi proteici di proteine ​​e acidi nucleici che devono associarsi per avviare il processo. Nella traduzione, uno dei primi complessi che deve essere assemblato per avviare il processo è indicato come complesso di iniziazione. La prima proteina a legarsi all'mRNA che aiuta ad avviare la traduzione è chiamata fattore di inizio eucariotico-2 (eIF-2). L'attività della proteina eIF-2 è controllata da molteplici fattori. Il primo è se è legato o meno a una molecola di GTP. Quando l'eIF-2 è legato a GTP è considerato in una forma attiva. La proteina eIF-2 legata al GTP può legarsi alla piccola subunità ribosomiale 40S. Quando legato, il complesso ribosoma eIF-2/40S, portando con sé l'mRNA da tradurre, recluta anche i tRNA associati all'iniziatore della metionina. A questo punto, quando il complesso iniziatore viene assemblato, il GTP viene idrolizzato in GDP creando una forma "inattiva di eIF-2 che viene rilasciata, insieme al fosfato inorganico, dal complesso. Questo passaggio, a sua volta, consente alla grande subunità ribosomiale 60S di legarsi e di iniziare a tradurre l'RNA. Il legame di eIF-2 all'RNA è ulteriormente controllato dalla fosforilazione delle proteine. Quando eIF-2 è fosforilato, subisce un cambiamento conformazionale e non può legarsi a GTP inibendo così la formazione del complesso di iniziazione - la traduzione è quindi inibita (vedi figura sotto). Nello stato defosforilato eIF-2 può legare GTP e consentire l'assemblaggio del complesso di inizio della traduzione come descritto sopra. La capacità della cellula quindi di sintonizzare l'assemblaggio del complesso di invito alla traduzione tramite una modifica chimica reversibile (fosforilazione) a una proteina regolatrice è un altro esempio di come la Natura abbia approfittato anche di questo passaggio apparentemente semplice per sintonizzare l'espressione genica.

Un aumento dei livelli di fosforilazione di eIF-2 è stato osservato in pazienti con malattie neurodegenerative come l'Alzheimer, il Parkinson e l'Huntington. Quale impatto pensi che questo potrebbe avere sulla sintesi proteica?

Modificazioni chimiche, attività proteica e longevità

Per non essere superate dagli acidi nucleici, le proteine ​​possono anche essere modificate chimicamente con l'aggiunta di gruppi che includono gruppi metile, fosfato, acetile e ubiquitina. L'aggiunta o la rimozione di questi gruppi dalle proteine ​​può regolare la loro attività o la durata della loro permanenza nella cellula. A volte queste modifiche possono regolare dove si trova una proteina nella cellula, ad esempio nel nucleo, nel citoplasma o attaccata alla membrana plasmatica.

Le modificazioni chimiche possono verificarsi in risposta a stimoli esterni come stress, mancanza di nutrienti, calore o esposizione alla luce ultravioletta. Oltre a regolare la funzione delle proteine ​​stesse, se questi cambiamenti si verificano su proteine ​​specifiche possono alterare l'accessibilità epigenetica (in caso di modifica dell'istone), la trascrizione (fattori di trascrizione), la stabilità dell'mRNA (proteine ​​leganti l'RNA) o la traduzione (eIF -2) alimentando e regolando così varie parti del processo di espressione genica. Nel caso della modifica delle proteine ​​regolatrici, questo può essere un modo efficiente per la cellula di modificare rapidamente i livelli di proteine ​​specifiche in risposta all'ambiente regolando varie fasi del processo.

L'aggiunta di un gruppo ubiquitina ha un'altra funzione: contrassegna quella proteina per la degradazione. L'ubiquitina è una piccola molecola che agisce come una bandiera che indica che le proteine ​​etichettate dovrebbero essere mirate a un organello chiamato proteasoma. Questo organello è un grande complesso multiproteico che funziona per scindere le proteine ​​in pezzi più piccoli che possono essere riciclati. L'ubiquitinazione (l'aggiunta di un tag di ubiquitina), quindi, aiuta a controllare l'espressione genica alterando la vita funzionale del prodotto proteico.

Le proteine ​​con tag ubiquitina sono contrassegnate per la degradazione all'interno del proteasoma.


Concetti chiave e sintesi

  • L'intero contenuto genetico di una cellula è il suo genoma.
  • geni codificano per proteine, o molecole stabili di RNA, ognuna delle quali svolge una funzione specifica nella cellula.
  • sebbene il genotipo che una cellula possiede rimane costante, l'espressione dei geni dipende dalle condizioni ambientali.
  • UN fenotipo è le caratteristiche osservabili di una cellula (o organismo) in un dato momento e risulta dal complemento di geni attualmente in uso.
  • La maggior parte del materiale genetico è organizzato in cromosomi che contengono il DNA che controlla le attività cellulari.
  • I procarioti sono tipicamente aploidi, di solito hanno un singolo cromosoma circolare trovato nel nucleoide. Gli eucarioti sono diploidi Il DNA è organizzato in più cromosomi lineari che si trovano nel nucleo.
  • Il superavvolgimento e il confezionamento del DNA che utilizzano proteine ​​leganti il ​​DNA consentono a molecole lunghe di adattarsi all'interno di una cellula. Gli eucarioti e gli archei usano proteine ​​istoniche e i batteri usano proteine ​​diverse con funzioni simili.
  • I genomi procarioti ed eucarioti contengono entrambi DNA non codificante, la cui funzione non è ben compresa. Alcuni DNA non codificanti sembrano partecipare alla formazione di piccole molecole di RNA non codificanti che influenzano l'espressione genica, altri sembrano svolgere un ruolo nel mantenimento della struttura cromosomica e nel confezionamento del DNA.
  • DNA extracromosomico negli eucarioti comprende i cromosomi che si trovano all'interno degli organelli di origine procariotica (mitocondri e cloroplasti) che si sono evoluti per endosimbiosi. Alcuni virus possono anche mantenersi extracromosomicamente.
  • Il DNA extracromosomico nei procarioti è comunemente mantenuto come plasmidi che codificano alcuni geni non essenziali che possono essere utili in condizioni specifiche. I plasmidi possono essere diffusi attraverso una comunità batterica mediante trasferimento genico orizzontale.
  • I genomi virali mostrano un'ampia variazione e possono essere composti da RNA o DNA e possono essere a doppio o singolo filamento.

Perché quasi tutto in natura è simmetrico?

La spiegazione evolutiva è che raramente ha il vantaggio di essere asimmetrico. Se la tua gamba sinistra fosse più lunga della gamba destra, ad esempio, rimarresti senza Mank. Ed è un'estetica "naturale" che troviamo i volti simmetrici più belli dei volti asimmetrici. Dopotutto, l'asimmetria può essere causata da un infortunio o da un'infezione in una parte del viso. Le persone con volti simmetrici hanno quindi più scelta di partner e quindi hanno più figli e/o più sani. Lo stesso vale per molti altri animali.

Inoltre, se la simmetria non ha grossi svantaggi, è l'impostazione predefinita perché è geneticamente ed embrionale più economico costruire un corpo simmetrico. Perché per codificare la ricetta per costruire un corpo simmetrico nel DNA, devi solo descrivere metà del corpo . Pertanto, un corpo asimmetrico richiederebbe un genoma più grande, che richiede una maggiore produzione di DNA e una maggiore possibilità che qualcosa vada storto.

Laddove l'asimmetria ha un grande vantaggio, ad esempio nella struttura del cuore e dell'apparato digerente, siamo proprio asimmetrici. Ma ci deve essere una buona ragione. Anche i costruttori di macchine, i costruttori di mobili ecc. scelgono la simmetria se non c'è una buona ragione per non farlo. Per circa gli stessi motivi.

Eppure l'argomento di cui sopra non è convincente, e dobbiamo pensarci più a fondo. C'è un libro molto interessante scritto su questo argomento: Mano destra, Mano sinistra. Il libro spiega perché è molto difficile descrivere un corpo asimmetrico nel DNA . Inizia con questo esperimento mentale:

Immagina di entrare in contatto radio con una civiltà aliena. Parli con loro di cose che hai in comune, come la matematica e le materie prime. C'è, tuttavia, una regola del gioco: non puoi fare riferimento a cose che possono vedere anche gli extraterrori, come immagini di stelle specifiche. Solo alla conoscenza universale.

Puoi spiegare agli extraterrori quello che sai in “future” e “passato”.”Above” e “down” ha successo. Ma “sinistra” e “destra”? Potresti essere in grado di spiegare cosa significano le dialettiche sinistra/destra, ma non puoi distinguere “sinistra” da “destra”. Potresti scegliere uno di loro per nominare “Glubs” e l'altro “zluchts”, ma non puoi spiegare quale dei due collegamenti sia. Se invii un piano di costruzione di un oggetto asimmetrico agli extraterrestri, non hai alcuna garanzia che lo costruiranno come consideri. Può darsi che ne costruiscano l'immagine speculare.

Lo sviluppo di un embrione ha lo stesso problema. Un utero simmetrico può costruire strutture asimmetriche, ma per ogni componente c'è il 50% di possibilità di ottenere un'immagine speculare. Un corpo asimmetrico ha quindi un rischio molto elevato di difetti alla nascita.

Il libro poi pone la domanda: come può essere che abbiamo ancora organi asimmetrici, e infatti, che non ci sia il 50/50 di possibilità di essere mancini, o di avere un cuore destro? Molto presto nell'evoluzione c'è & #8220scelto” per D glucosio invece di L glucosio. Ciò avrà un impatto sulla direzione in cui si muove il DNA e su molte altre strutture biochimiche. Su un altro pianeta potrebbe essere il contrario. O forse no. Ci sono indicazioni nelle particelle fisicamente che c'è una sottile differenza tra sinistra e destra. Non è del tutto chiaro se questa differenza sia troppo sottile per influenzare la “scelta” evolutiva tra il collegamento e le molecole che ruotano verso destra. Almeno, quando il libro è stato scritto.


Guarda il video: SISTEM PECS BERTUTUR MENGGUNAKAN SISTEM PICTURE EXCHANGE COMUNICATION SYSTEM (Agosto 2022).