Scienziati scoprono accidentalmente un DNA che infrange le regole della vita.

La dottoressa Jamie McGowan, ricercatrice post-dottorato presso l’Earlham Institute, stava studiando il genoma di un protista prelevato da acqua dolce. L’obiettivo era di natura pratica: i ricercatori volevano testare una procedura di sequenziamento del DNA in grado di funzionare con quantità estremamente ridotte di DNA, incluso il DNA proveniente da una singola cellula.

Il team ha invece scoperto un’anomalia genetica inaspettata. L’organismo, identificato come Oligohymenophorea sp. PL0344, si è rivelato essere una specie precedentemente sconosciuta con una rara alterazione nel modo in cui legge le istruzioni del DNA e sintetizza le proteine. Lo studio pubblicato su PLOS Genetics ha riportato che due codoni normalmente associati ai segnali di arresto genico erano stati riassegnati ad amminoacidi diversi, una combinazione che i ricercatori hanno descritto come mai segnalata prima.

“È stata pura fortuna aver scelto questo protista per testare la nostra pipeline di sequenziamento, e questo dimostra cosa c’è là fuori, evidenziando quanto poco sappiamo sulla genetica dei protisti.”

Un minuscolo organismo con una grande sorpresa genetica

È difficile definire i protisti in modo preciso a causa della loro grande diversità. Molti sono organismi microscopici unicellulari, tra cui amebe, alghe e diatomee. Altri sono molto più grandi e pluricellulari, come le alghe brune, i mixomiceti e le alghe rosse.

“La definizione di protista è vaga: essenzialmente si tratta di qualsiasi organismo eucariote che non sia un animale, una pianta o un fungo”, ha affermato il dottor McGowan. “Ovviamente si tratta di una definizione molto generale, perché i protisti costituiscono un gruppo estremamente variabile.”

“Alcuni sono più strettamente imparentati con gli animali, altri con le piante. Ci sono cacciatori e prede, parassiti e ospiti, nuotatori e sedentari, e ci sono quelli con diete variegate mentre altri effettuano la fotosintesi. In sostanza, possiamo fare ben poche generalizzazioni.”

Oligohymenophorea sp. PL0344 appartiene a un gruppo chiamato ciliati. Questi protisti acquatici possono essere osservati al microscopio e si trovano in molti ambienti acquatici. I ciliati sono diventati particolarmente interessanti per i genetisti perché sono noti per essere punti caldi di cambiamenti nel codice genetico, inclusi cambiamenti che coinvolgono i codoni di stop.

Quando i segnali di stop genetici cambiano significato

Nella maggior parte degli organismi viventi, tre codoni di stop indicano alla cellula dove termina un gene: TAA, TAG e TGA. Questi funzionano come segni di punteggiatura nelle istruzioni genetiche, segnalando che la sintesi proteica deve interrompersi.

Il codice genetico viene solitamente descritto come quasi universale perché la maggior parte degli organismi utilizza le stesse regole di base. Le variazioni si verificano, ma sono rare. Nel piccolo numero di varianti del codice genetico conosciute, TAA e TAG di solito cambiano insieme e finiscono per avere lo stesso significato. Questo schema ha suggerito che i due codoni fossero evolutivamente collegati.

“In quasi tutti gli altri casi che conosciamo, TAA e TAG cambiano in tandem”, ha spiegato il dottor McGowan. “Quando non sono codoni di stop, entrambi specificano lo stesso amminoacido.”

Questo organismo ha fatto qualcosa di diverso. In Oligohymenophorea sp. PL0344, solo TGA sembra funzionare come codone di stop. Gli altri due segnali sono stati riutilizzati. TAA specifica la lisina, mentre TAG specifica l’acido glutammico. I ricercatori hanno anche trovato più codoni TGA del previsto, il che potrebbe contribuire a compensare la perdita degli altri due segnali di stop. L’ articolo pubblicato su PLOS Genetics ha riportato che il restante codone di stop UGA è arricchito subito dopo le regioni codificanti, suggerendo che potrebbe contribuire a prevenire la lettura oltre i limiti della traduzione quando questa continua troppo a lungo.

“È una situazione estremamente insolita”, ha affermato il dottor McGowan. “Non siamo a conoscenza di altri casi in cui questi codoni di stop siano collegati a due diversi amminoacidi. Ciò infrange alcune delle regole che credevamo di conoscere sulla traduzione genica: si pensava che questi due codoni fossero accoppiati.”

“Gli scienziati tentano di creare nuovi codici genetici, ma questi esistono anche in natura. Possiamo scoprire cose affascinanti, se solo le cerchiamo.”

“Oppure, in questo caso, quando non li stiamo cercando.”

Come le cellule leggono le istruzioni del DNA

Il DNA può essere considerato come un insieme di istruzioni, ma queste istruzioni devono essere copiate e interpretate prima di poter produrre un effetto. Innanzitutto, un gene viene trascritto in RNA. Questa copia di RNA viene poi tradotta in amminoacidi, che si legano tra loro per formare proteine ​​e altre molecole funzionali.

La traduzione inizia dal codone di inizio del DNA (ATG) e normalmente termina con un codone di stop (di solito TAA, TAG o TGA). In questo ciliato, questo sistema di terminazione, a noi familiare, è stato riorganizzato. La scoperta dimostra che anche uno dei sistemi più conservati in biologia può essere più flessibile del previsto.

L’analisi del genoma e del trascrittoma condotta dal team ha inoltre identificato geni tRNA soppressori corrispondenti ai codoni riassegnati, a supporto della conclusione che l’organismo interpreta effettivamente questi precedenti segnali di stop come amminoacidi. Nello studio, è emerso che UAA codifica per la lisina e UAG per l’acido glutammico.

Studi successivi dimostrano che i ciliati infrangono le regole genetiche.

Studi successivi hanno rafforzato l’idea che i ciliati siano fonti insolitamente ricche di sorprese nel codice genetico. In uno studio pubblicato nel 2024 su PLOS Genetics , i ricercatori hanno riportato molteplici riassegnazioni indipendenti del codone di stop UAG nei ciliati fillofaringei. Alcuni ciliati non coltivabili del dataset TARA Oceans sembrano utilizzare UAG per codificare la leucina, mentre Hartmannula sinica e Trochilia petrani utilizzano UAG per codificare la glutammina.

Questo studio successivo ha inoltre rilevato che UAA rimane il codone di stop preferenziale in quei ciliati fillofaringei, mentre UAG si è ripetutamente trasformato in un codone di codifica proteica. I risultati indicano ripetuti cambiamenti nel codice genetico in eucarioti microbici poco studiati e rafforzano l’idea che i ciliati siano tra le eccezioni più significative al codice genetico standard.

Nel loro insieme, queste scoperte suggeriscono che il codice genetico non è così immutabile come si pensava un tempo. Per la maggior parte degli organismi, le regole rimangono straordinariamente stabili. Ma nella vita microbica, spesso trascurata, in particolare nei ciliati, l’evoluzione ha ripetutamente trovato il modo di modificare le istruzioni.

Finanziamenti e pubblicazioni

La ricerca originale è stata pubblicata su PLOS Genetics nel 2023. È stata finanziata dal Wellcome Trust nell’ambito del Darwin Tree of Life Project e supportata dai fondi di base dell’Earlham Institute erogati dal Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC), parte dell’UKRI. La pubblicazione riportava i dati di sequenziamento e le risorse di assemblaggio del genoma depositate in repository pubblici.