Biologii de la MIT (Massachusetts Institute of Technology) au constatat că scindarea alternativă a ARN (acid ribonucleic) configurează noi căi de comunicaţie în ţesuturi şi poate contribui adesea la apariţia diferenţelor dintre specii.
Biologii de la MIT au descoperit că scindarea alternativă a ARN mesager explică în mare parte diferenţele existente între specii.
Atunci când genele au fost descoperite pentru prima dată, concepţia era că fiecare genă codifică o proteină unică. Cu toate acestea, biologii au descoperit mai târziu că segmente de gene pot fi combinate în moduri diferite dând naştere la numeroase proteine diferite.
Acest fenomen cunoscut sub numele de scindare alternativă a ARN modifică de multe ori reţelelor de mesaje din diferite ţesuturi şi pot contribui în mod disproporţionat la diferenţele existente între specii, conform unui nou studiu realizat de biologii de la MIT.
După analizarea a numeroase date genetice, cercetătorii au descoperit că aceleaşi gene sunt exprimate în aceleaşi tipuri de ţesuturi, cum ar fi ficatul sau inima, din rândul speciilor de mamifere. Cu toate acestea, modelele variabile de scindare care determină segmentele acestor gene care sunt incluse sau excluse variază de la specie la specie.
"Caracteristicile de bază care fac ca o inimă să fie inimă sunt în mare parte determinate de o semnătură specifică de expresiei a genelor. Dar caracteristicile de bază care fac un şoricel să acţioneze ca un şoricel ar putea deriva disproporţionat din modelele de scindare care diferă de cele ale şobolanilor sau ale altor mamifere", afirmă Chris Burge, profesor de biologie şi inginerie biologică la MIT şi autorul principal al unui document care cuprinde constatările făcute în ediţia publicată online în 20 decembrie a jurnalului "Science".
Autorul principal al lucrării este Jason Merkin, studentul care a absolvit biologia la MIT. Printre ceilalţi autori se numără Caitlin Russell, un fost tehnician care a activat în laboratorul condus de Burge şi Ping Chen, un student absolvent aflat în vizită la MIT.
O varietate de proteine
Scindarea alternativă a ARN (o descoperire pentru care profesorului Phillip Sharp de la MIT i-a fost atribuit Premiul Nobel pentru Medicină în 1993), controlează alcătuirea proteinelor codificate de o genă. La mamifere, genele produse din ADN-ul stocat în nucleul celulei constau din mai multe segmente scurte cunoscute sub numele de exoni şi introni. După ce ADN-ul este copiat printr-un proces de transcriere a ARN, toţi intronii şi frecvent unii exoni sunt îndepărtaţi înainte ca ARN mesager (mRNA) să părăsească nucleul care transportă instrucţiunile necesare pentru a crea o proteină specifică.
Acest proces permite celulelor să creeze o varietate mult mai mare de proteine decât ar fi posibil dacă fiecare genă ar codifica o singură proteină. Unele proteine, inclusiv Dscam care se află în Musculiţele de fructe şi neurexina care se regăseşte la om, au mii de forme variabile. Aceste proteine variate pot avea funcţii foarte diferite, afirmă Burge. De exemplu, versiunea completă a unei proteine poate fi legată de ADN la un capăt şi să activeze transcrierea ADN-ului la capătul opus. Dacă o formă a unei proteine lipseşte în secţiunea de activare, va concura pentru legarea de aceleaşi regiuni ale ADN ca şi proteina cu lanţ complet, împiedicând astfel activarea transcrierii.
În 2008, Burge şi colegii săi au analizat ARNm provenit de la 10 ţesuturi umane diferite şi au constatat că aproape fiecare genă este scindată alternativ. Rezultatele au fost publicate în revista "Nature". În plus, s-a desoperit faptul că cele mai multe scindări alternative diferă între ţesuturi.
În cadrul noului studiu cercetătorii au comparat ţesuturi provenite de la mai multe specii de mamifere diferite cum ar fi de exemplu maimuţa Rhesus, şobolanul, şoarecele şi vaca, precum şi o specie de pasări, puiul de găină. Pentru fiecare specie cercetătorii au analizat nouă tipuri de ţesut (creier, colon, inimă, rinichi, ficat, plămâni, muşchi, splină şi testicule), prelevat de la trei indivizi, formând o succesiune de mai mult un trilion de baze de ARNm.
Folosind noua tehnologie de secvenţiere de mare viteză, cercetătorii au analizat atât expresia genelor, cât şi modelele variabile de scindare din fiecare mostră de ţesut. Ei au descoperit că modelele de expresie genică au fost extrem de similare în diversele ţesuturi, indiferent de la ce specie a provenit ţesutul. Mai exact, genele active în ţesutul renal al şobolanilor au fost aproape identice cu cele provenite din ţesutul renal de la vacă.
"Acest lucru nu a fost surprinzător", afirmă Burge. "Este în concordanţă cu ideea conform căreia modelul de expresie al genelor determină de fapt identificarea ţesutului. Celulele musculare trebuie să exprime anumite proteine structurale, precum şi motoare, iar neuronii vor trebui să exprime anumite proteine sinaptice."
Rezultatele comparării modelului de scindare alternative au fost foarte diferite. În loc să apară o aglomerare de ţesuturi, modelele sau grupat în cea mai mare parte pe specii. "În ceea ce priveşte procesul de scindare, diferite ţesuturi de la vacă seamănă mai degrabă cu celelalte ţesuturi ale vacii, decât cu ţesutul corespunzător de la şoarece sau şobolan sau maimuţă Rhesus", relatează Burge.
Deoarece modelele de scindare sunt specifice fiecărei specii, se pare că procesul de scindare poate contribui la diferenţele selective existente între aceste specii, relatează Burge. "Scindarea pare a fi mai maleabilă pe perioade scurte şi ar putea contribui la diferenţierea dintre specii şi să le ajute să adapteze prin diverse modalităţi", relatează el.
Noul studiu reprezintă primul efort substaţial de a analiza rolul scindării alternative în evoluţie, relatează Brenton Graveley, un profesor de genetică şi biologie a dezvoltării de la University of Connecticut Health Center. "Acesta oferă numeroase perspective noi legate de rolul posibil al scindării alternative în remarcarea diferenţelor dintre specii", afirmă Graveley, care nu a fost implicat in acest studiu.
Noi funcţii
Cercetătorii au descoperit de asemenea că o funcţie importantă a scindării alternative este adăugarea şi îndepărtarea unor segmente scurte de proteine care conţin unul sau mai multe zone de fosforilare. Fosforilarea (adăugarea unei molecule de fosfat) este o modalitate des întâlnită prin intermediul căreia celulele pot activa sau dezactiva proteine.
Atunci când unei versiuni diferite a unei proteine îi lipseşte o regiune cheie pentru fosforilare, aceasta ar putea pierde funcţia formei originale. Fosforilarea poate de asemenea direcţiona proteine în diferite locaţii în cadrul celulei, lucru care poate altera funcţia acestora.
Schimbările modelului de scindare ajută, de asemenea, la modificarea reţelele de mesaje care reglează cele mai multe activităţi celulare. Aceste reţele sunt deseori controlate de fosforilarea proteinelor implicate în reţea, dintre care multe pot fi scindate în mod alternativ. "Puteţi să le vedeţi ca reţele de mesaje reconfigurabile, aşa că noi putem controla ceea ce iese din acestea. Scindarea poate adăuga o nouă ieşire sau să o şteargă o cale de comunicaţie specifică ţesutului", relatează Burge.
Cercetătorii au identificat, de asemenea, mai multe mii de exoni noi variabili la fiecare specie, motiv pentru care în prezent aceştia studiază modul in care au evoluat aceşti exoni şi explorarea funcţiilor lor posibile.
Studiul a fost finanţat printr-un grant acordat de Broad Institute SPARC, the National Institutes of Health şi National Science Foundation.
Traducere de Ecaterina Pavel după rna-splicing-species-difference
