Viaggio nella biologia cellulare e molecolare

Inside the Cell

24 October 2010 - 15:38

DNA, questo sconosciuto

Dal 1953, anno in cui Watson e Crick pubblicavano la struttura tridimensionale della doppia elica del DNA, sono stati fatti ampi progressi nel campo della genetica. Questi passi avanti hanno portato, negli ultimi 60 anni, a nuove incredibili conoscenze, dalla definizione degli RNA catalitici negli anni ’80 fino al completamento del progetto genoma umano alcuni anni fa. Nonostante questi grandi progressi, e nonostante oggi sequenziare un genoma sia diventato quasi una routine in alcuni laboratori, il sequenziamento dei genomi ci ha insegnato un’importante lezione: la conoscenza anche completa della sequenza nucleotidica rappresenta solo il primo passo nella scoperta delle funzioni del DNA, molecola che sembra riservare sempre nuove sorprese agli scienziati che si occupano di genetica.

L’era postgenomica

La differenza di sequenza fra il genoma umano e quello delle scimmie è estremamente bassa. Questo porta in evidenza un importante interrogativo: cosa rende diverse specie così simili per la sequenza del DNA? Se in passato si credeva che sequenziando il genoma di un organismo si potesse comprenderne tutti i processi biologici, oggi sappiamo invece che il pattern di espressione proteico di due cellule con contenuto genomico simile può essere molto diverso e la sua diversità non può essere compresa a pieno osservando la sola sequenza del DNA. Questo è il motivo per il quale, da qualche anno, è nata una nuova importante disciplina, chiamata proteomica. La proteomica ha lo scopo di studiare il cosiddetto proteoma, vale a dire l’insieme delle proteine espresse nelle cellule in un determinato momento o nel contesto di determinati processi. Lo scopo è anche quello di caratterizzare i meccanismi di regolazione che portano, da uno stesso genoma, alla definizione di quadri di espressione proteica anche molto diversi in tessuti differenti o in momenti diversi dello sviluppo. Si pensi al bruco e alla farfalla: stesso organismo e stesso DNA, ma fenotipo decisamente diverso.

RISC

Modello tridimensionale di RISC, complesso proteico implicato nel silenziamento a microRNA

I nuovi livelli della regolazione genica

Tali meccanismi di regolazione dell’espressione genica sono in parte ancora da scoprire. Se infatti sappiamo già molto sulla regolazione della trascrizione basata sull’interazione dei fattori di trascrizione con specifiche sequenze a monte o a valle dei geni, c’è ancora molto da scoprire quando si prendono in considerazione altri livelli sui quali può agire la regolazione dell’espressione genica. Ad esempio, la sintesi di una proteina può essere regolata a livello traduzionale agendo sul blocco o sulla degradazione del suo mRNA. Una strategia di questo tipo fa uso dei cosiddetti RNA antisenso. Essi sono molecole polinucleotidiche in grado di legarsi a mRNA complementari, impedendone così la traduzione da parte dei ribosomi.
I microRNA sono un altro tipo di RNA regolatori. Essi sono in grado di riconoscere mRNA a sequenza complementare e impedirne la traduzione guidandoli verso la degradazione. Sebbene i microRNA siano conosciuti da tempo e siano usati anche a scopo sperimentale per il silenziamento genico, recentemente una nuova scoperta ha reso il quadro ancora più complesso. Alcuni scienziati del Medical Center di Boston, infatti, hanno scoperto che il ruolo di microRNA e mRNA può essere ribaltato: RNA trascritti, ma non codificanti, possono legarsi ai microRNA impedendo che essi possano operare il silenziamento genico, aggiungendo così una altro punto alla lista dei possibili meccanismi di regolazione.

Applicando il modello dell'oscillatore armonico alla molecola del DNAn Elisabeth Rieper ne ha costruito un modello strutturale quantistico

Applicando un modello di oscillatori armonici alla molecola del DNA, Elisabeth Rieper ne ha costruito un modello strutturale quantistico

La rivincita del DNA spazzatura

La scoperta di queste nuove molecole nucleotidiche implicate nella regolazione genica ha contribuito ad assegnare una funzione ad almeno una parte di quella porzione del genoma non codificante proteine, che negli anni passati era stata etichettata con il nome di junk DNA, vale a dire DNA spazzatura. Per molto si è discusso sulla possibile funzione di questa ampia porzione del genoma. Da molti era considerato nient’altro che DNA “egoista” che, simile ad un parassita, si era accumulato nei genomi pur non svolgendo alcuna funzione attiva, ma trasmettendosi di generazione in generazione insieme al DNA codificante. Altri ipotizzavano per il junk DNA una funzione di “tampone” per le mutazioni. Si era pensato cioè che il fatto che i geni fossero diluiti in mezzo ad una grande quantità di DNA inutile contribuisse ad abbassare la probabilità che una mutazione deleteria cadesse all’interno di un gene.
Oggi il DNA per il quale non si conosce una funzione sta diventando meno abbondante. Sempre più psuedogeni e sequenze di RNA non codificante vengono riconosciuti come responsabili della regolazione genica pur non sintetizzando proteine, ampliando così la porzione considerata funzionale del genoma.

Nuove frontiere: DNA quantistico

Una branca a dir poco avveniristica della biologia è la cosiddetta quantum biology, cioè “biologia quantistica”. Essa si prefigge di studiare l’implicazione dei fenomeni descritti dalla fisica quantistica all’interno dei sistemi biologici. Non accade spesso di sentir parlare di questo tipo di studi, ma i risultati ci sono e probabilmente ci aiuteranno in futuro a comprendere meglio i processi biochimici e la vita stessa.
Un fenomeno molto particolare del mondo dei quanti è il cosiddetto entanglement. Due particelle in stato di entanglement sono in grado, almeno apparentemente, di trasmettersi reciprocamente l’informazione sul proprio stato quantistico in maniera non-locale, cosa che da decenni assilla la mente dei fisici. Secondo uno studio condotto da Elisabeth Rieper della National University of Singapore il fenomeno dell’entanglement quantistico avrebbe un ruolo fondamentale nella strutturazione del DNA, affermando addirittura che secondo il modello strutturale classico la molecola del DNA non avrebbe energia sufficiente a rimanere unita.

Tutti questi nuovi dati e scoperte ci suggeriscono che il DNA, la molecola fondamentale della vita, racchiude ancora numerosi segreti che attendono di essere scoperti. Le osservazioni dei dati sperimentali, anche se ci forniscono nuove conoscenze, spesso introducono interrogativi nuovi, rendendo sempre più vario e complesso lo studio del fenomeno della vita.

Tags: DNA, entanglement, junk DNA, microRNA, proteomica