DNA-Immagine Credit Public Domain-
Miliardi di anni fa, quando le forme di vita primitive diventavano sempre più complesse, una componente genetica egoista divenne una sorta di colonizzatore del genoma. Usando un meccanismo di copia e incolla, questo pezzo di codice dannoso si è replicato e si è inserito più e più volte in una varietà di genomi.
Nel corso del tempo, tutti gli organismi eucarioti hanno ereditato il codice, compresi noi. In effetti, questo antico elemento genetico ha scritto circa un terzo del genoma umano ed era considerato DNA spazzatura fino a tempi relativamente recenti.
Questo componente genetico è noto come LINE-1 e la sua intrusione aggressiva nel genoma può provocare il caos, portando a mutazioni che causano malattie. Una proteina chiave chiamata ORF2p ne consente il successo, il che significa che la comprensione della struttura e dei meccanismi di ORF2p potrebbe illuminare nuovi potenziali bersagli terapeutici per una varietà di malattie.
Ora, in collaborazione con più di una dozzina di gruppi accademici e industriali, gli scienziati della Rockefeller University hanno reso per la prima volta la struttura centrale della proteina in alta risoluzione, rivelando una serie di nuove informazioni sui principali meccanismi patogeni di LINE-1.
I risultati dello studio sono stati pubblicati su Nature.
“Il lavoro faciliterà la progettazione razionale di farmaci mirati a LINE-1 e potrebbe portare a nuove terapie e strategie per combattere il cancro, le malattie autoimmuni, la neurodegenerazione e altre malattie dell’invecchiamento“, afferma l’autore senior John LaCava, Professore associato di ricerca presso la Rockefeller University.
Compagni evolutivi
LINE-1 è un retrotrasposone, una sorta di codice genetico mobile che traduce nuovamente l’RNA in DNA mentre si replica e si scrive in punti diversi nel genoma di un organismo.
Esistono diversi tipi di retrotrasposoni, inclusi i retrovirus endogeni (ERV), che assomigliano all’HIV e all’epatite B (HBV).
L’origine di LINE-1 non è chiara, ma ha una connessione evolutiva con gli introni del gruppo II, una classe di antichi elementi mobili risalenti a circa 2,5 miliardi di anni. I retrotrasposoni come LINE-1 si evolvono con i loro organismi ospiti da 1 a 2 miliardi di anni.
“È una battaglia continua tra LINE-1 che cerca di inserirsi e l’ospite che protegge il proprio genoma“, afferma il co-primo autore Trevor van Eeuwen, ricercatore post-dottorato presso il Laboratorio di biologia cellulare e strutturale della Rockefeller.
Nelle nostre cellule si trovano milioni di frammenti genetici derivati dalla LINE-1. La stragrande maggioranza sono reliquie evolutive inattive, prova di tentativi falliti di dirottare il meccanismo di replicazione. Ma circa 100 LINE-1 sono operativi e di solito non sono utili. Una proteina prodotta da LINE-1, nota come ORF1p, viene prodotta dalle cellule tumorali, come descritto in un recente studio di LaCava, Michael P. Rout e dei loro collaboratori.
LaCava e Martin Taylor, del Massachusetts General Hospital e della Harvard Medical School, hanno studiato LINE-1 e le sue proteine per più di un decennio, ma poiché ORF2p si esprime in modo così basso e raro, è rimasto poco compreso. “LINE-1 è stato così difficile da studiare perché ha caratteristiche molto strane“, afferma LaCava. “Per esempio, ha un ciclo di replicazione insolito e la proteina ORF2p che nessuno è riuscito a catturare. Ma Marty e io alla fine siamo arrivati a un punto in cui la nostra ricerca su di essa era abbastanza matura da poter iniziare a studiarne la struttura“.
Taylor ha apportato progressi chiave nel purificare l’ORF2p a lunghezza intera nonché una versione “core” più breve che facilita la replica L1; questi progressi facilitarono le scoperte che seguirono.
Utilizzando una combinazione di cristallografia a raggi X e crio-EM, il gruppo di ricerca ha scoperto due nuovi domini ripiegati all’interno del nucleo di ORF2p che contribuiscono alla capacità di LINE-1 di creare copie di se stesso.
“ORF2p dispone di adattamenti strutturali particolarmente adatti a questi sforzi”, afferma van Eeuwen. “È una sorta di proteina tuttofare, in grado di gestire qualsiasi cosa, dalla replicazione all’inserimento. Ma mentre la maggior parte dei virus ha bisogno potenzialmente di centinaia di proteine della trascrittasi inversa per replicarsi, ORF2p fa tutto. Tuttavia, quando LINE-1 viene attivato nel citoplasma, “si comporta come un imitatore virale”. Crea ibridi RNA:DNA che sembrano un’infezione virale quando vengono rilevati“, osserva van Eeuwen. Questo mimetismo virale suggerisce una possibile soluzione al puzzle di come ORF2p attiva il sistema immunitario innato, contribuendo alle malattie autoimmuni e ad altre condizioni.
La loro ricerca ha scoperto che le interazioni con il materiale genetico nel citoplasma attivano la via antivirale cGAS/STING. A sua volta, questo percorso fa sì che le cellule producano interferoni, stimolando il sistema immunitario e provocando infiammazione, in modo analogo a quanto accade durante un’infezione da virus.
“La sua funzione principale sembra essere quella di proliferare copie di se stesso, e mentre LINE-1 sposta le sequenze, c’è la possibilità che tali sequenze possano rompere un gene“, dice. “Ma c’è anche la possibilità che possano creare nuovi elementi genetici o nuove funzionalità benefiche per l’ospite“.
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Il percorso da percorrere
In futuro, i ricercatori cercheranno di risolvere i due domini principali appena scoperti e di comprenderne le funzioni. Nel frattempo, “la nostra delucidazione strutturale di ORF2p pone le basi per studi futuri necessari per analizzare e migliorare la nostra comprensione del meccanismo di inserimento di LINE-1, della sua evoluzione e del suo ruolo nella malattia“, afferma van Eeuwen.
I ricercatori vogliono anche esplorare le potenziali applicazioni cliniche dei loro risultati. Poiché esiste una parentela tra retrotrasposoni e retrovirus, nel presente studio hanno testato trattamenti per i retrovirus HIV e HBV per vedere se inibirebbero LINE-1. Non lo hanno fatto, suggerendo che la progettazione delle terapie dovrà essere adattata alle caratteristiche uniche di LINE-1.
“Il lavoro apre la porta alla progettazione razionale di farmaci con inibitori LINE-1 migliori e speriamo che questi portino presto a studi clinici“, afferma LaCava.
“E”, come aggiunge Rout, “questo studio sottolinea anche il potenziale dell’integrazione di più tipi di dati e delle competenze di più laboratori per risolvere questioni biomediche fondamentali”.
Fonte:Nature
