Quando le cellule crescono e si dividono per garantire una funzione biologica – come un organo correttamente funzionante – il DNA deve essere svolto dalla sua tipica forma strettamente imballata e copiato nell’RNA per creare proteine. Quando questo processo va storto – se viene prodotto troppo poco o troppo RNA – allora il risultato potrebbe essere malattie come i tumori. Ricercatori della Scuola di Medicina dell’UNC hanno scoperto che una proteina chiamata Spt6, precedentemente nota per avere un ruolo chiave nel produrre RNA e riconfezionare il DNA dopo la copia di RNA, facilita anche la degradazione dell’RNA in modo che le cellule abbiano la giusta quantità di RNA per la creazione di proteine.
La scoperta, pubblicata in “Molecular Cell”, rappresenta una nuova e rivoluzionaria comprensione del controllo dell’espressione genica e suggerisce un potenziale bersaglio per il trattamento di tumori e altre malattie. “Dimostrando e comprendendo questo meccanismo, possiamo iniziare a pensare di indirizzarne le parti in modo terapeutico in malattie in cui Spt6 non funziona correttamente”, ha detto l’autore senior dello studio Brian D. Strahl, PhD, Oliver Smithies Investigator, Professor, e Vicepresidente del Dipartimento di Biochimica e Biofisica di UNC-Chapel Hill.
Ogni cellula umana trasporta una grande quantità di DNA – chiamato genoma – composta da circa 3,5 miliardi di lettere che si uniscono nel codice genetico. I ricercatori hanno studiato il modo in cui i grandi genomi si adattano ai piccoli confini delle cellule. Sappiamo che le proteine chiamate istoni organizzano con cura e impacchettano il DNA nelle cellule. Proprio come avvolgere il filo attorno alla bobina, il DNA avvolge gli istoni per essere condensato in uno spazio più piccolo. Sebbene gli istoni contribuiscano a mantenere il DNA confezionato, questo imballaggio crea una barriera per “leggere” le informazioni genetiche contenute nel DNA. Il DNA deve essere “aperto” molto come un libro deve essere aperto per le pagine da leggere – tranne che “aprire il DNA” è un po ‘complicato.
L’accesso alle informazioni sul DNA è un processo altamente controllato che comporta la rimozione temporanea degli istoni, in modo che il codice genetico possa essere copiato nell’RNA e l’RNA possa quindi essere utilizzato per creare proteine. Normalmente, le cellule distruggono i “messaggi” RNA copiati quando non sono più necessari. Malattie come il cancro possono sorgere quando la capacità delle cellule di produrre o distruggere i messaggi va storta.
Quando un gene viene copiato in un filamento di RNA, il DNA all’interno e intorno al gene deve essere allentato dalla sua normale configurazione strettamente avvolta. Gli scienziati hanno saputo che Spt6 ha il compito cruciale di aiutare il DNA a richiudersi strettamente quando il processo di copiatura è completato. Ma questa non è la sua unica funzione.
“Lo Spt6 sembra un po ‘come un coltellino svizzero”, ha detto Strahl, membro del Centro per il cancro globale di Lineberger dell’UNC. “Spt6 ha molte funzioni, dall’aiutare la cellula a creare gli RNA messaggeri, a rimettere gli istoni nel DNA dopo che sono stati rimossi. Il nostro studio ora mostra che Spt6 aiuta anche a controllare la quantità di RNA messaggero che rimane dopo essere stata copiata dal DNA.”
La prima cosa che il laboratorio di Strahl ha studiato è il modo in cui Spt6 si lega a RNA Polymerase II, che è la macchina enzimatica che copia il DNA in RNA. La funzione di questa interazione Spt6-Polimerasi II non è chiara. Quindi il laboratorio Strahl voleva determinare se una versione non vincolante di Spt6 eseguisse ancora la sua funzione di rewrapping del DNA-istone.
“Con nostra sorpresa, abbiamo scoperto che Spt6 era ancora in grado di raggiungere i geni, anche se a livelli subottimali”, ha detto Strahl. “Ma Spt6 ha fatto ancora il suo lavoro di aggiungere indietro gli istoni.”
Anche se Spt6 funzionava ancora, i ricercatori hanno assistito a un grosso problema: le quantità di RNA erano estremamente alte e queste quantità di RNA elevate non si verificavano perché c’era più copia con la forma difettosa di Spt6.
“Ci siamo resi conto che c’è molto di più nella funzione Spt6 del semplice re-avvolgimento del DNA intorno agli istoni e facilitazione della copia del DNA di RNA Polymerase”, ha detto il primo autore Raghuvar Dronamraju, PhD, ricercatore nel laboratorio di Strahl.
I ricercatori hanno misurato la quantità di tutti gli RNA in cellule che avevano la forma mutante di Spt6 e hanno trovato quantità anomale di molti RNA. Ciò suggeriva che c’era una perdita del solito meccanismo di controllo che manteneva la giusta quantità di ciascun RNA.
All’inizio non era chiaro come la rottura del legame di Spt6 con la polimerasi causasse una errata regolazione dell’RNA, ma ulteriori esperimenti hanno rivelato un meccanismo completamente inaspettato.
Normalmente, gli RNA nel processo di fabbricazione sono esposti ad enzimi che li proteggono o li degradano in modo che le azioni cumulative di questi enzimi creino una quantità precisa di RNA che una cellula ha bisogno per la sintesi proteica. Gli scienziati dell’UNC hanno scoperto che la forma di Spt6 che non poteva legarsi a RNA Polymerase II interrompeva questo equilibrio tra la protezione da RNA e la degradazione dell’RNA, in particolare il lato di degradazione. Hanno scoperto che molti RNA sopravvivevano nelle cellule più a lungo di quanto avrebbero normalmente, consentendo ai livelli di RNA di raggiungere livelli anormali.
Il team di Strahl è andato oltre e ha collegato i punti per mostrare che Spt6 interagiva con uno dei principali macchinari di degradazione dell’RNA della cellula – un complesso proteico chiamato Ccr4-Not. Il team di Strahl ha dimostrato che Spt6 utilizzava la sua interazione con RNA Polymerase II per assumere Ccr4-Not durante l’espressione genica per assicurare il corretto equilibrio degli enzimi che proteggono e degradano l’RNA.
Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che lo Spt6 mutante non influenzava i livelli di tutti gli RNA. Un gran numero di RNA interessati codifica per proteine che controllano la divisione cellulare. Normalmente, gli RNA che contribuiscono alla divisione cellulare vengono rapidamente degradati quando le cellule passano da una parte del ciclo di divisione cellulare a un’altra. Ma l’anomala incapacità di rimuovere questi RNA nelle cellule mutanti di Spt6 ha indotto le cellule a sviluppare una crescita profonda e difetti di divisione cellulare.
Lo studio del laboratorio Strahl ha quindi rivelato un meccanismo di degradazione dell’RNA precedentemente sconosciuto e fondamentale, ei risultati suggeriscono che i difetti nella funzione di degradazione dell’RNA di Spt6 possono essere alla base di alcune malattie, in particolare i tumori, che presentano una divisione cellulare incontrollata.
“Dato che Spt6 negli esseri umani è a volte trovato mutato o mal regolato nei tumori, sarà importante esaminare questo meccanismo di controllo dell’RNA ulteriormente per determinare se il suo fallimento contribuisca al cancro”, ha detto Strahl. Il suo team si dedicherà alla ricerca di questo con la speranza che studi futuri possano identificare nuovi bersagli terapeutici per il trattamento della malattia umana.
I ricercatori hanno ancora molte domande sul coinvolgimento di Spt6 nella regolazione degli RNA. Ma già è evidente che l’influenza di Spt6 sulla stabilità dell’RNA rappresenta “una nuova svolta nella trascrizione”, come la chiama Strahl.
Questa ricerca è stata eseguita con il lievito di birra, un classico organismo scientifico di base che i ricercatori utilizzano per indagare i dettagli complessi di come le cellule svolgono e controllano molte funzioni biologiche. È importante sottolineare che gli studi sui lieviti possono essere estesi alle cellule umane perché le stesse proteine si verificano nel lievito e nell’uomo.
