Misteriose proteine trasformano il DNA umano in forme diverse

Le differenze tra il DNA umano e il DNA delle zanzare non si limitano alla disposizione delle lettere nel codice genetico. Se dovessi tagliare una cellula umana e una cellula di zanzara e sbirciare nel nucleo di ciascuna, vedresti che i loro cromosomi sono piegati con un tipo di origami genetico drammaticamente diverso. Ora, i ricercatori hanno scoperto come piegare un tipo di DNA per assumere la forma dell’altro, essenzialmente facendo arrotolare il DNA umano come quello di una zanzara.

Nel nucleo umano, i cromosomi sono raggruppati in pacchetti ordinati”, ha detto a Live Science Claire Hoencamp, dottoranda in biologia del cancro presso l’Università di Amsterdam, in una videochiamata mentre accartocciava un foglio di carta. “Ma nel nucleo della zanzara, i cromosomi sono piegati nel mezzo”. Mentre parlava, piegava a metà diversi fogli di carta e li sistemava come libri su uno scaffale, con le pagine rivolte verso l’esterno.

Hoencamp stava studiando la condensina II, una proteina coinvolta nella divisione cellulare. In un esperimento, ha distrutto questa proteina in una cellula umana per osservarne l’effetto sul ciclo cellulare. Come per un’elaborata coreografia, i cromosomi della cellula risultante si sarebbero ripiegati. Ma non si è ripiegato come il DNA in un nucleo umano; invece, si è trasformato nella sua migliore impressione delle viscere di un nucleo di zanzara.

Nel frattempo, Olga Dudchenko, ricercatrice post-dottorato, presso il Center for Genome Architecture della Baylor University in Texas, stava classificando i genomi in base alle strutture 3D che formano i loro cromosomi. Come co-direttore di un progetto multi-istituzionale chiamato DNA Zoo, stava vedendo alcuni modelli distinti.

“Essenzialmente, possiamo classificare le cose in due architetture di base”, ha detto, riferendosi alla natura strettamente arrotolata e compartimentata del genoma umano rispetto alla disposizione più libera del genoma della zanzara. Non importa quante specie abbia esaminato, i cromosomi hanno assunto variazioni di due forme fondamentali.

In modo sconcertante, la sua ricerca ha suggerito che alcuni lignaggi avrebbero usato una forma per evolversi nella seconda e poi, in molti casi, evolversi indietro. Tuttavia, non sapeva quale forza, se del caso, stesse guidando questi cambiamenti.

Presentando la loro ricerca a una conferenza in Austria, i due team si sono resi conto che stavano affrontando lo stesso problema da angolazioni diverse. In sostanza, Hoencamp aveva trovato una proteina che ripiega i cromosomi e Dudchenko aveva notato che l’esperimento di Hoencamp si svolgeva naturalmente attraverso tempi evolutivi.

Dopo aver deciso di collaborare, il COVID-19 ha colpito. Con l’accesso al laboratorio interrotto, i collaboratori si sono rivolti alle simulazioni al computer per comprendere meglio il ruolo della condensina II nell’organizzazione nucleare. Con l’aiuto di un laboratorio della Rice University di Houston, hanno simulato gli effetti della condensina II su milioni o miliardi di lettere in un genoma, confermando ciò che Hoencamp aveva trovato in precedenti esperimenti.

In un’analisi genetica descritta il 28 maggio sulla rivista Science, i ricercatori hanno esaminato 24 specie e hanno scoperto che le specie con la disposizione cromosomica più libera avevano una cosa in comune: un gene condensin II rotto.

La ricerca futura mirerà a determinare quale vantaggio evolutivo, se del caso, potrebbe avere una struttura del nucleo rispetto all’altra. Quando i ricercatori hanno esaminato l’espressione genica, hanno scoperto che la struttura di piegatura dei cromosomi influenzava solo leggermente l’espressione genica, o quanta parte di ciascuna proteina era prodotta da geni diversi. Quella scoperta sorprese Hoencamp.

Dato quanto poco il ripiegamento abbia influenzato l’espressione genica, non è chiaro il motivo per cui una specie piegherebbe il proprio DNA in un modo o nell’altro.

Tuttavia, poiché entrambi i metodi di piegatura si trovano nell’albero evolutivo, i sottili effetti di ciascuno potrebbero avere grandi implicazioni. “Le variazioni nella struttura 3D sembrano riguardare la messa a punto”, ha detto Dudchenko, alcune funzioni all’interno degli organismi. Tuttavia, esattamente ciò che viene modificato rimane un mistero.