Sarà capitato spesso di iniziare a descrivere in classe la molecola di DNA e scatenare subito tra gli studenti l’associazione alla “doppia elica” e, per alcuni, anche ai nomi “Watson e Crick”.
Succede la stessa cosa quando viene introdotta la molecola di RNA?
I più studiosi ricorderanno forse i termini che corrispondono all’acronimo o anche una corrispondenza con la sintesi delle proteine nella cellula, ma certo non sapranno indicare i protagonisti che hanno compiuto studi sulle diverse strutture e funzioni dell’RNA. Il primato di informazioni sul DNA non si discute e si può spiegare anche in relazione al fatto che i manuali spesso si limitano a proporre solo le differenze nella struttura chimica dell’RNA e le tre tipologie indispensabili per la sintesi proteica.
Rimediamo subito con la proposta di una lezione dedicata a fare luce sulle molte tipologie per struttura e funzione degli RNA, ricordando che la funzione regolativa, in particolare, è emersa prepotentemente a partire dagli anni ’80 del secolo scorso fino ad oggi.
Ma andiamo con ordine:
A- Partiamo da un breve focus storico sull’RNA e facciamo riflettere gli studenti sugli importanti sviluppi registrati dagli anni ’80 in poi :
Fine XIX Secolo
- F. Miescher nel 1869 scopre nel nucleo una sostanza fosforilata che chiama nucleina; Hoppe-Seyler 1871 aggiunge la descrizione di un altro tipo di acido nucleico presente nel citoplasma: l’RNA.
- Richard Altmann nel 1889 definisce come acidi nucleici la nucleina di Miescher
Inizio XX Secolo
- Phoebus Levene nel 1919: individua la composizione chimica dell’RNA, costituita dalle basi azotate adenina, guanina, citosina e uracile.
- Jean Brachet nel 1933 dimostra la presenza del DNA nei cromosomi e quella dell’RNA nel citoplasma. Nello stesso anno Torbjörn Caspersson dimostra che l’RNA svolge una funzione importante nella sintesi proteica
Anni ’50
- Severo Ochoa e Marianne Grunberg-Manago nel 1956 ottengono in vitro la sintesi di RNA con l’enzima RNA polimerasi.
Anni ’60
- Dal 1961 al 1965 sono individuati nei loro ruoli rispettivamente l’RNA messaggero (mRNA da François Jacob e Jacques Monod ), l’RNA transfer (tRNA da Robert W. Holley)
Anni ’70
- Richard J. Roberts e Phillip A. Sharp, nel 1970 riconoscono l’rRNA nelle subunità dei ribosomi
Anni ’80
- Raymond L. Stallings e Joan A. Steitz nel 1982 scoprono gli small nucleolar RNA (snoRNA), i quali guidano il processamento di altri RNA..
- Victor Ambros e Gary Ruvkun nel 1993 individuano il primo microRNA (miRNA).
Anni 2000
- Andrew Fire e Craig Mello nel 2006 ricevono il premio Nobel per la scoperta degli RNA interferenti (iRNA), che comprendono anche i long non-coding RNA (lncRNA)
- Jennifer Doudna ed Emmanuelle Charpentier nel 2012 mettono a punto la tecnica con CRISPR-Cas9, un sistema di editing del genoma basato sull’RNA, rivoluziona la ricerca biomedica.
- Katalin Karikó e Drew Weissman nel 2020 utilizzano un mRNA sintetico per la produzione di vaccini contro il COVID-19
A questo punto può essere utile una semplice chiave interpretativa sulle diverse funzioni dei diversi tipi di RNA
RNA codificanti
- mRNA: trascrivono i geni per la sintesi proteica
RNA non codificanti (ncRNA)
- ncRNA housekiping: tRNA e rRNA partecipano alla traduzione della sintesi proteica
- trascrivono parti di DNA non codificante
Per il processamento di altre molecole di RNA e proteine (snRNA, snoRNA, scRNA, ..)
Per il controllo dell’espressione genica (miRNA, RNAi, shRNA, ….)
B- Gli RNA si possono anche classificare in base alla struttura
La conformazione più comune per le molecole di RNA è quella a singolo filamento; sono possibili strutture a doppia catena, mediante appaiamento delle basi mediante legami a idrogeno. Si ottiene così una conformazione secondaria caratterizzata da strutture a stelo (stem), anse di collegamento a filamento singolo (loop), gemme (bulge), nei tratti non appaiati di un doppio filamento.
Le strutture secondarie possono poi piegarsi in forme tridimensionali più complesse (struttura terziaria) e associarsi in più subunità con proteine nelle forme sovramolecolari come quelle dello spliceosoma (struttura quaternaria).
FOCUS SULLO SPLICEOSOMA
Lo spliceosoma è un complesso multi-molecolare delle dimensioni di un ribosoma, costituito da proteine e RNA non codificanti del nucleo: gli small nuclear RNA (snRNA). L’associazione snRNA e proteine costituisce le “small nuclear RiboNucleoProteins”, snRNP, ricordate simpaticamente anche come SNURP.
Ci sono cinque tipi di snRNP, caratterizzati da una sequenza compresa tra 100 e 300pb e complessati con circa 150 proteine; sono distinti da queste sigle: U1, U2, U5, U4 e U6.
Gli snRNA presentano tratti a filamento singolo e a doppio filamento, complementari tra loro. Ogni snRNP contiene una molecola di snRNA e una ventina di proteine.
Il processo di splicing realizzato grazie all’intervento di spliceosomi
Gli studi sugli spliceosomi sono stati condotti da R. Roberts e P. Sharp, Premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina del 1993 e dal biologo molecolare A. Lamond dell’Università di Dundee (UK) negli anni ‘90 oltre che dai risultati della ricerca ottenuti mediante cryo-EM a partire dal 201
ATTIVITÀ:
1) Quali patologie sono associate al fenomeno dello spliceosoma aberrante? Documentati attraverso una ricerca in rete e confronta i risultati dell’indagine con i tuoi compagni.
2) Un altro criterio di classificazione per gli ncRNA è quello della dimensione: lo conoscerai svolgendo questa semplice attività. Poni una domanda specifica all’I.A. del tuo motore di ricerca e riporta le fonti di riferimento
CONCLUSIONI:
Questa lezione non ha l’ambizione di aver descritto in modo completo tutti i traguardi e le conoscenze del mondo degli RNA: ci sarebbe ancora molto da riferire. Lasciamo ai docenti e agli studenti il piacere di continuare questo cammino. A tale proposito segnalo questo link: L’RNA Tie Club – Storia della Medicina.