Immagine: riga superiore: i batteri E coli contenenti un retrone rompono le membrane nella cellula circa 15 minuti dopo l’infezione (al centro) Il rosso rivela buchi nelle membrane quando le cellule muoiono. (A destra) 45 minuti dopo l’infezione da un fago, molte cellule sono morte, ma ne rimangono alcune per riavviare la crescita. In basso: i batteri privi di questo retrone sembrano a posto dopo 15 minuti, ma 45 minuti dopo, le cellule infette sono morte e il DNA virale si è riversato nelle restanti poche cellule. Credito:Weizmann Institute of Science.
In molte specie di batteri si trovano strutture ibride peculiari chiamate retroni che sono metà RNA e metà DNA a filamento singolo. Dalla loro scoperta circa 35 anni fa, i ricercatori hanno imparato a usare i retroni per produrre singoli filamenti di DNA in laboratorio, ma nessuno sapeva quale fosse la loro funzione nei batteri, nonostante molte ricerche in materia.
In un articolo pubblicato oggi su Cell, un team del Weizmann Institute of Science riferisce di aver risolto il mistero di vecchia data: i retroni sono “guardie” del sistema immunitario che garantiscono la sopravvivenza della colonia batterica quando è infettata da virus. Oltre a scoprire una nuova strategia utilizzata dai batteri per proteggersi dalle infezioni virali – sorprendentemente simile a quella impiegata dal sistema immunitario delle piante – la ricerca ha rivelato molti nuovi retroni che potrebbero, in futuro, aggiungersi al genoma- toolkit di editing.
Lo studio, condotto nel laboratorio del Prof. Rotem Sorek del Dipartimento di Genetica Molecolare dell’Istituto, è stato guidato da Adi Millman, il Dr. Aude Bernheim e Avigail Stokar-Avihail nel suo laboratorio. Sorek e il suo team non avevano deciso di risolvere il mistero dei retroni; stavano cercando nuovi elementi del sistema immunitario batterico, in particolare elementi che aiutano i batteri a respingere le infezioni virali. La loro ricerca è stata resa più facile dalla recente scoperta che i geni del sistema immunitario dei batteri tendono a raggrupparsi nel genoma all’interno delle cosiddette isole di difesa. Quando hanno scoperto la firma unica dei retroni all’interno di un’isola di difesa batterica, il team ha deciso di indagare ulteriormente.
La loro ricerca iniziale ha dimostrato che questi retroni era sicuramente coinvolti nella protezione dei batteri contro i fagi specializzati nell’infettare i batteri. Mentre i ricercatori hanno esaminato più da vicino i retroni aggiuntivi situati vicino a geni di difesa noti, hanno scoperto che i retroni erano sempre collegati – fisicamente e funzionalmente – a un altro gene. Quando il gene di accompagnamento o i retroni erano mutati, i batteri avevano meno successo nel combattere l’infezione fagica.
I ricercatori hanno quindi deciso di cercare altri complessi di questo tipo nelle isole di difesa. Alla fine, hanno identificato circa 5.000 retroni, molti dei quali nuovi, in diverse isole di difesa di numerose specie batteriche.
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Per verificare se questi retroni funzionano, generalmente, come meccanismi immunitari, i ricercatori hanno trapiantato molti retroni, uno per uno, in cellule batteriche di laboratorio prive di retroni. Come sospettavano, in un gran numero di queste cellule hanno trovato retroni che proteggevano i batteri dall’infezione dei fagi.
Come fanno i retroni a difendere i batteri? Concentrandosi su un particolare tipo di retroni e rintracciando le sue azioni di fronte all’infezione dei fagi, il team di ricerca ha scoperto che la sua funzione è quella di indurre la cellula infetta a suicidarsi. Il suicidio cellulare, una volta pensato appartenere esclusivamente a organismi multicellulari, è l’ultimo mezzo per annientare un’infezione diffusa. Il meccanismo del suicidio funziona abbastanza velocemente da uccidere la cellula prima che il virus finisca di fare copie di se stesso e di diffondersi ad altre cellule.
Ulteriori indagini hanno dimostrato che i retroni non percepiscono l’invasione del fago in sé, ma piuttosto tengono d’occhio un’altra parte del sistema immunitario nota come RecBCD, che è una delle prime linee di difesa del batterio. Se si rende conto che il fago ha manomesso il RecBCD della cellula, il retrone attiva il suo programma attraverso i secondi geni collegati per uccidere la cellula infetta e proteggere il resto della colonia.
“È una strategia intelligente e abbiamo scoperto che funziona in modo simile a un meccanismo di protezione impiegato nelle cellule vegetali“, afferma Sorek. “Proprio come i virus che infettano le piante, i fagi sono dotati di una varietà di inibitori per bloccare parti assortite della risposta immunitaria cellulare. Il retrone, come un meccanismo di guardia noto per esistere nelle piante, non ha bisogno di essere in grado di identificare tutti i possibili inibitori, solo per avere un controllo sul funzionamento di un particolare complesso immunitario. Le cellule vegetali infette applicano questo metodo di “infezione abortiva”, uccidendo una piccola regione di una foglia o di una radice, nel tentativo di salvare la pianta stessa. Poiché la maggior parte dei batteri vive nelle colonie, questa stessa strategia può favorire la sopravvivenza del gruppo, anche a scapito dei singoli membri “.
I retroni sono così utili alla biotecnologia perché iniziano con un pezzo di RNA, che è il modello per la sintesi del filamento di DNA. Questo modello nella sequenza di retroni può essere scambiato per qualsiasi sequenza di DNA desiderata e utilizzato, a volte in combinazione con un altro strumento preso in prestito dal kit di strumenti immunitari batterici – CRISPR – per manipolare i geni in vari modi.
Sorek e il suo team ritengono che all’interno dell’elenco diversificato di retroni che hanno identificato potrebbero nascondersene altri che potrebbero fornire modelli migliori per specifiche esigenze di modifica genetica.
Fonte: Cell
