Ci sono probabilmente pochi – se non nessuno – lettori per i quali il nome di Barbara McClintock non suona un campanello. Mentre tutti i candidati al premio Nobel ottengono un ampio riconoscimento, nel suo caso è stato aggravato dalla battaglia in salita che ha affrontato per l’accettazione del suo lavoro. Una citogenetista che lavorava sul mais come sistema modello, era arrivata alla conclusione che non tutti i geni erano loci fissi statici in punti definiti del genoma. Dire che la sua conclusione che c’erano “geni saltanti” – elementi di DNA codificanti in grado di spostarsi da una posizione cromosomica ad un’altra – è stato accolto con incredulità generalizzata è un eufemismo educato. Il tempo e il peso dei dati le diedero ragione e il suo Nobel del 1983 per la fisiologia o la medicina, all’età di 81 anni, fu un testamento alla sua perseveranza come alla buona scienza.
Le caratteristiche del DNA da lei scoperte sono propriamente chiamate elementi trasponibili o trasposoni. Strutturalmente, condividono una serie di caratteristiche simili ad alcuni tipi di virus (retrovirus) e possono in un certo senso essere pensati come un virus, in quanto possono replicarsi in modo semi-autonomo utilizzando i macchinari della cellula ospite. A differenza dei veri virus, però, i trasposoni non lasciano la cellula, e la progenie si sposta semplicemente in una nuova posizione genomica dove prendono residenza. Sono in effetti l’esempio più semplice di quello che viene definito “il gene egoista”, un postulato secondo cui gli elementi genetici cercano semplicemente di replicarsi. Mentre la maggior parte ha “scelto” di farlo attraverso l’associazione cooperativa con altri geni per creare organismi replicanti vitali, i trasposoni lo fanno puramente per proprio conto e più come un parassita della cellula ospite che come un componente produttivo di un insieme più grande. Il nostro interesse per loro oggi deriva in primo luogo dal fatto che non si limitano ad esistere nel mais, ma si trovano infatti nella maggior parte degli organismi, compresi gli esseri umani, e in secondo luogo per quanto riguarda questo stile di vita intracellulare canaglia, ogni gene per se stesso.
LINES e SINES
Gli esseri umani non hanno solo un tipo di trasposone – in realtà ce n’è un certo numero di tipi che sono vagamente raggruppati in base alla loro dimensione fisica in elementi lunghi intercalati (LINES) ed elementi brevi intercalati (SINES). Come ci si aspetterebbe, più questi sono grandi fisicamente, più informazioni genetiche possono codificare. Quello conosciuto come LINE-1 con una dimensione di ~6000 paia di basi codifica per due cornici di lettura aperte (regioni che possono essere trascritte in mRNA e poi tradotte in proteine). Una di queste proteine ha attività di legame all’RNA ma una funzione biologica poco chiara; la seconda ha attività di endonucleasi (taglio del DNA) e trascrizione inversa (generazione di sequenze di DNA basate su modelli di RNA). Essenzialmente dopo che un elemento LINE-1 viene trascritto (guidato in parte dai siti di legame dei fattori di trascrizione nella sua estremità 5′), la seconda proteina espressa effettua dei tagli nel DNA ospite attraverso la sua funzione di endonucleasi. Poi fa una copia del DNA della trascrizione completa della LINE-1 tramite la sua funzione di trascrittasi inversa. Questa copia di DNA viene inserita nel genoma ospite tagliato e il macchinario di riparazione del DNA della cellula ospite la lega al suo posto. Il cromosoma ospite ha ora acquisito una nuova copia di LINE-1 e ogni successivo ciclo di replicazione cellulare la replica come parte del suo “normale, innato” DNA nucleare. Questo è considerato retrotrasposizione autonoma, poiché LINE-1 fornisce le proprie funzioni enzimatiche chiave per il processo. Sebbene il processo in sé si verifichi raramente, è facile capire come su lunghe scale biologiche questo possa portare all’accumulo di copie multiple replicate dell’elemento LINE-1. Si pensa che LINE-1 sia l’unico elemento trasponibile completamente autonomo del genoma umano, e si è dimostrato una strategia biologica efficace con quasi il 17% del genoma umano costituito da questa sequenza (circa 170.000 copie per cellula)!
Il nostro obiettivo oggi, tuttavia, è su una SINE, e in particolare quella (in realtà, la famiglia) conosciuta come elementi Alu. Prendendo il nome da un sito di endonucleasi di restrizione (Alu I) che contengono in modo caratteristico, sono molto più brevi della LINE-1, con solo circa 280 paia di basi di lunghezza. Questo significa che non hanno molta capacità di codifica al di là di alcuni segnali di inizio trascrizione e quindi non sono autonomi. Infatti, gli elementi Alu richiedono sia fattori cellulari che il secondo prodotto proteico della LINE-1 per la loro replicazione, essendo in un certo senso parassiti sia della cellula ospite che degli elementi LINE-1. Questo approccio parassita di un parassita è apparentemente una strategia genetica egoista ancora più efficace, poiché gli elementi Alu costituiscono circa l’11% del genoma umano (circa 2 milioni di copie per cellula).
Impatti biologici
Non sorprende che ci siano alcuni impatti molto reali dall’avere così tanti scrocconi genetici nel nostro genoma, e per di più instabili. In particolare attraverso i segnali trascrizionali e altri segnali genetici che portano, un elemento Alu può influenzare molti aspetti dell’espressione genica dell’ospite prossimale, compresi i livelli di espressione genica basale, lo splicing degli introni, la poliadenilazione e l’editing dell’RNA. La pressione evolutiva sulla cellula nel suo complesso porterebbe generalmente all’adattamento del genoma dell’ospite a questi per ospitare, compensare, o forse in alcuni casi anche trarre un beneficio dall’impatto di un particolare elemento Alu nel contesto. Tali adattamenti dell’ospite richiedono tempo, tuttavia, e le patologie cliniche possono sorgere quando si verifica un nuovo evento di trasposizione Alu che porta a un brusco cambiamento genetico in quello che è essenzialmente un loci casuale – l’inserimento di una nuova copia Alu.
Alcune cose da sapere su questo sono che, poiché si tratta di un processo di trascrizione (RNA) avviato dalla replicazione, la replicazione è soggetta a errori. A differenza delle DNA polimerasi, molte delle quali contengono quella che viene chiamata una funzione di proofreading per cui ogni nucleotide aggiunto alla copia nascente del template è sottoposto a un secondo controllo per confermare una vera corrispondenza complementare invece di una basata su uno spostamento tautomerico transitorio, le RNA polimerasi sono biologicamente ottimizzate per la velocità e la processività. Una volta che un nucleotide viene aggiunto a una trascrizione in crescita, la polimerasi si affretta a passare alla base successiva. Poiché una parte di tutte le basi che compongono il DNA e l’RNA possono esistere in forme tautomeriche dove ci sono brevi riarrangiamenti di idrogeni e doppi legami rispetto alle forme che vediamo nei libri di testo, le trascrizioni dell’RNA tendono ad avere bassi ma significativi tassi di errore di copia dal loro modello di DNA.
Sento alcuni lettori improvvisamente nel panico, perché se è così, non siamo tutti un disastro a causa di errori nelle normali trascrizioni di mRNA? È perché facciamo più copie di trascrizioni da geni attivi, e in media sono OK. Che siano a posto o no, hanno una breve vita prima della degradazione e della sostituzione con nuovi trascritti secondo necessità. Rari errori sporadici negli mRNA non sono quindi probabilmente significativi.
Se però ora prendete questa copia non perfetta dell’RNA di un DNA e la trascrivete di nuovo in DNA per una propagazione a lungo termine, avete fissato quel cambiamento genetico a lungo termine. Una conseguenza di ciò è che solo una piccola parte degli elementi Alu nei nostri geni sono effettivamente competenti a replicarsi e a inserire nuove copie di se stessi. In tutto, si stima che ci sia solo una nuova inserzione Alu. Questa è una cosa molto buona, perché questi eventi inserzionali sono potenzialmente problematici.
Ricordiamo che circa l’uno per cento o poco più del genoma umano codifica per proteine ospiti (circa 21.000 geni). Se andiamo a fare tagli e riempire il DNA non correlato a caso nel genoma, è logico che circa l’uno per cento di questi sarebbe nei geni e il risultato sarebbe un’inattivazione inserzionale del gene. Poiché l’elemento Alu porta segnali trascrizionali e potenzialmente altri elementi regolatori, è anche possibile che eserciti influenze indesiderate sull’espressione genica di cose a cui è semplicemente vicino. In entrambi i casi il risultato è la disregolazione di uno o più geni, quasi certamente con risultati deleteri.
Altro discorso, esattamente questo processo è usato in alcuni organismi modello per identificare i geni relativi a un tratto fenotipico. Semplificando, i trasposoni endogeni all’organismo possono essere incoraggiati ad attivarsi, e gli organismi di progenie con cambiamenti nel fenotipo di interesse vengono esaminati per eventuali nuovi siti di inserzione di trasposoni sul presupposto che possano essere in o vicino ai geni relativi al fenotipo. Si chiama transposon tagging.
Oltre ai nuovi eventi di retrotrasposizione che causano l’inattivazione inserzionale, l’alto numero totale di elementi Alu di per sé può portare ad altri problemi genetici. In particolare, queste isole locali di somiglianza di sequenza possono essere punti per eventi di ricombinazione omologa ineguale, dove il contesto cromosomico intorno ad ogni elemento Alu non è lo stesso. Questi possono verificarsi sia extracromosomicamente (portando allo scambio di segmenti cromosomici non omologhi) che intracromosomicamente (dove tendono a portare alla delezione o duplicazione di regioni, a seconda che i due elementi Alu siano in orientamenti di polarità uguali o inversi).
Esempi di vita reale
Ora che abbiamo trattato la teoria che ci sono davvero elementi genetici mobili negli esseri umani, che a volte si attivano e inseriscono nuove copie di se stessi, e che possono avere conseguenze negative per la cellula, che dire degli esempi di vita reale? Le persone si presentano in ambienti clinici con problemi attribuibili a nuove inserzioni di Alu? Assolutamente sì; già nel 19991 è stato stimato che le nuove inserzioni Alu erano rilevabili in circa uno su 200 nati vivi, ed erano responsabili dello 0,1% dei disordini genetici conosciuti. Rapporti particolari dalla letteratura includono occorrenze spontanee di emofilia; 2-4 sindrome di Apert; 5 neurofibromatosi di tipo 1; 6 e atrofia ottica.7 I lettori che cercano un elenco più lungo sono diretti a una revisione dal 2012 e i suoi riferimenti, elencati come riferimento otto sotto.
Presentazioni cliniche relative a eventi ricombinazionali influenzati da Alu sono probabilmente più difficili da identificare con certezza di quelli da eventi inserzionali, ma i casi sono stati riportati (vedi riferimento nove per un esempio) e sono probabilmente più frequenti di quanto sappiamo.
Da un punto di vista di trattamento, ogni mutazione indotta da Alu – inserzionale o ricombinazionale – è unica e il trattamento (se esiste) dovrebbe probabilmente riguardare l’intervento biochimico diretto nei percorsi colpiti dove possibile, o forse strumenti di ingegneria genetica come previsto in altri disturbi genetici innati. Rimangono quindi per il clinico piuttosto una curiosità che un tipo di condizione con un trattamento comune o prevenzione – ma probabilmente uno di frequenza non insignificante alla radice della presentazione genetica romanzo.
- Alu ripete e malattia umana. Deininger P, Batzer M. Molecular Genetics and Metabolism 1999; 67(3):183-193.
- Un inserto Alu come causa di una forma grave di emofilia A. Sukarova E, Dimovski AJ, Tchacarova P, et al. Acta Haematol. 2001;106(3):126-9.
- Emofilia B dovuta a un inserimento de novo di un membro della sottofamiglia Alu specifico dell’uomo nella regione codificante del gene del fattore IX. Vidaud D, Vidaud M, Bahnak BR, et al. European Journal of Human Genetics 1993; 1(1):30-36.
- Exon skipping causato da un’inserzione intronica di un giovane elemento Alu Yb9 porta a grave emofilia A. Ganguly A, Dunbar T, Chen P, et al. Human Genetics 2003; 113(4); 348-352.
- De novo Alu-elemento inserzioni in FGFR2 identificare una base patologica distinta per la sindrome di Apert. Oldridge M, Zackai EH, McDonald-McGinn DM, et al. American Journal of Human Genetics 1999; 64(2);446-461.
- Una inserzione Alu de novo risulta in neurofibromatosi tipo 1. Wallace MR, Andersen LB, Saulino AM, et al. Natura 1991; 353(6347); 864-866.
- Inserzione dell’elemento Alu in una sequenza di introni OPA1 associata ad atrofia ottica autosomica dominante. Gallo GN, Cardaioli E, Rufa A, et al. Molecular Vision 2010; 16; 178-183.
- Elementi mobili Alu: Da DNA spazzatura a gemme genomiche. Dridi S. Scientifica 2012. ID articolo 545328, 11 pagine.
- Mutazione nel recettore LDL: Ricombinazione Alu-Alu cancella gli esoni che codificano i domini transmembrana e citoplasmatico. Lehrman MA, Schneider WJ, Südhof TC, et al. Scienza 1985; 227(4683); 140-146.