La complessa verità sul “DNA spazzatura”

Immagina l’umano genoma come una stringa che si estende per la lunghezza di un campo da calcio, con tutti i geni che codificano le proteine ​​raggruppati all’estremità vicino ai tuoi piedi. Fai due grandi passi avanti; tutte le informazioni sulle proteine ​​sono ora alle tue spalle.

Il genoma umano ha tre miliardi di coppie di basi nel suo DNA, ma solo il 2% circa di esse codifica per proteine. Il resto sembra inutile gonfiarsi, una profusione di duplicazioni di sequenze e vicoli ciechi genomici spesso etichettati come “DNA spazzatura”. Questa allocazione sorprendentemente parsimoniosa di materiale genetico non è limitata agli esseri umani: anche molti batteri sembrano dedicare il 20 percento del loro genoma a riempitivi non codificanti.

Molti misteri circondano ancora la questione di cosa sia il DNA non codificante e se sia davvero spazzatura senza valore o qualcosa di più. Parti di esso, almeno, si sono rivelate di vitale importanza biologica. Ma anche al di là della questione della sua funzionalità (o della sua mancanza), i ricercatori stanno iniziando ad apprezzare come il DNA non codificante possa essere una risorsa genetica per le cellule e un vivaio in cui possono evolversi nuovi geni.

“Piano, piano, piano, la terminologia di ‘DNA spazzatura’ [has] iniziato a morire”, ha detto Cristina Sisu, genetista alla Brunel University di Londra.

Gli scienziati si riferivano casualmente a “DNA spazzatura” fin dagli anni ’60, ma hanno ripreso il termine in modo più formale nel 1972, quando il genetista e biologo evoluzionista Susumu Ohno lo usò per sostenere che i grandi genomi avrebbero inevitabilmente ospitato sequenze, accumulate passivamente su molti millenni, che non codificava alcuna proteina. Poco dopo, i ricercatori hanno acquisito prove concrete di quanto sia abbondante questa spazzatura nei genomi, di quanto siano varie le sue origini e di quanto di essa sia trascritta nell’RNA nonostante manchino i progetti per le proteine.

I progressi tecnologici nel sequenziamento, in particolare negli ultimi due decenni, hanno fatto molto per cambiare il modo in cui gli scienziati pensano al DNA e all’RNA non codificanti, ha affermato Sisu. Sebbene queste sequenze non codificanti non contengano informazioni sulle proteine, a volte sono modellate dall’evoluzione a fini diversi. Di conseguenza, le funzioni delle varie classi di “spazzatura” – nella misura in cui hanno funzioni – stanno diventando più chiare.

Le cellule usano parte del loro DNA non codificante per creare un serraglio diversificato di molecole di RNA che regolano o aiutano la produzione di proteine ​​in vari modi. Il catalogo di queste molecole continua ad espandersi, con piccoli RNA nucleari, microRNA, piccoli RNA interferenti e molti altri. Alcuni sono segmenti corti, tipicamente lunghi meno di due dozzine di paia di basi, mentre altri sono più lunghi di un ordine di grandezza. Alcuni esistono come doppi fili o si ripiegano su se stessi in anelli di forcina. Ma tutti possono legarsi selettivamente a un bersaglio, come un trascritto di RNA messaggero, per promuovere o inibire la sua traduzione in proteina.

Questi RNA possono avere effetti sostanziali sul benessere di un organismo. Gli arresti sperimentali di alcuni microRNA nei topi, ad esempio, hanno indotto disturbi che vanno da tremori a disfunzione epatica.

Di gran lunga la più grande categoria di DNA non codificante nei genomi degli esseri umani e di molti altri organismi è costituita da trasposoni, segmenti di DNA che possono cambiare la loro posizione all’interno di un genoma. Questi “geni che saltano” hanno la propensione a fare molte copie di se stessi, a volte centinaia di migliaia, in tutto il genoma, dice Seth Cheetham, un genetista dell’Università del Queensland in Australia. I più prolifici sono i retrotrasposoni, che si diffondono in modo efficiente creando copie di RNA di se stessi che si riconvertono in DNA in un altro punto del genoma. Di metà del genoma umano è costituito da trasposoni; in alcune piante di mais, tale cifra sale a circa il 90%.

Il DNA non codificante si manifesta anche all’interno dei geni dell’uomo e di altri eucarioti (organismi con cellule complesse) nelle sequenze di introni che interrompono le sequenze di esoni che codificano le proteine. Quando i geni vengono trascritti, l’RNA dell’esone viene unito in mRNA, mentre gran parte dell’RNA dell’introne viene scartato. Ma parte dell’RNA intronico può essere trasformato in piccoli RNA che sono coinvolto in produzione di proteine. Il motivo per cui gli eucarioti hanno introni è una domanda aperta, ma i ricercatori sospettano che gli introni aiutino ad accelerare l’evoluzione dei geni rendendo più facile il rimescolamento degli esoni in nuove combinazioni.

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