Gene model for the ortholog of DENR in Drosophila pseudoobscura

Immaginate il genoma di un essere vivente come una biblioteca immensa e antica. All'interno di questa biblioteca ci sono milioni di libri (geni) scritti in un codice che dice alla cellula come costruire e far funzionare l'organismo. Ma ecco il problema: in molte specie, specialmente in quelle che non sono le solite "famose" come gli esseri umani o le moscerini della frutta, questi libri sono spesso disordinati. Le pagine potrebbero essere strappate, i capitoli fuori ordine o l'inchiostro sbiadito. Gli scienziati chiamano questo processo "annotazione genica", che è fondamentalmente il processo di lettura di questi libri disordinati per capire esattamente dove iniziano e finiscono le storie e cosa dicono effettivamente le storie. Perché questo è importante? Perché per capire come la vita si evolve — come una mosca in una foresta messicana sia correlata a una mosca in un giardino della California — dobbiamo essere in grado di confrontare queste storie accuratamente. Se non riusciamo a leggere il libro correttamente, non possiamo capire la trama.

Questo articolo parla di un team di ricercatori studenti che agiscono come detective letterari. Stanno analizzando una storia specifica e minuscola all'interno della biblioteca di Drosophila pseudoobscura, un tipo di moscerino della frutta che si trova nelle Americhe occidentali. La storia che stanno cercando di sistemare riguarda un gene chiamato DENR. Nel mondo della biologia, DENR è come un caposquadra in un cantiere edile; aiuta il macchinario cellulare a iniziare a costruire le proteine correttamente e svolge un ruolo speciale nel modo in cui le cellule ascoltano i segnali dell'insulina (il modo in cui il corpo sa di avere abbastanza cibo). Sebbene gli scienziati sapessero già esattamente che aspetto avesse questo "caposquadra" nel comune moscerino della frutta (D. melanogaster), la versione in D. pseudoobscura era un po' un mistero, nascosta in un assemblaggio genomico digitale che non era stato completamente controllato. I ricercatori volevano pulire il testo, trovare l'esatto punto di inizio e di fine del gene e assicurarsi che la storia in questo moscerino selvatico corrispondesse a quella del suo famoso cugino.

Il lavoro da detective: Trovare il gene mancante

Il team ha iniziato esaminando il "quartiere" del gene. Nel genoma, i geni non fluttuano semplicemente in modo casuale; vivono in distretti specifici con vicini specifici. Nel comune moscerino della frutta, il gene DENR vive sul cromosoma X, fiancheggiato da vicini specifici come un gene chiamato CG4880 da un lato e Polr3I dall'altro. I ricercatori hanno utilizzato uno strumento di ricerca digitale (una ricerca "blast") per trovare il gene DENR nel genoma di D. pseudoobscura. Hanno trovato un gene candidato, etichettato come LOC4814209 (o XP_001354336.1), situato su uno scaffold di DNA chiamato CH379066.

Per confermare che si trattasse del gene giusto, hanno controllato il quartiere. Hanno scoperto che i geni che circondano questo candidato in D. pseudoobscura sono gli stessi tipi di geni che circondano DENR nel comune moscerino della frutta, anche se non erano nello stesso ordine esatto. È come trovare una casa in una strada dove il panettiere e la biblioteca sono ancora i tuoi vicini, anche se il panettiere si è spostato dal lato sinistolo al lato destro. La ricerca al computer ha mostrato una corrispondenza molto forte: la sequenza di DNA era identica al 61,49% e la probabilità statistica che si trattasse di una coincidenza casuale era incredibilmente bassa (un e-value di 2e-56). Questo ha confermato che avevano trovato l'indirizzo giusto.

Leggere la storia: Come funziona il gene

Una volta trovato il gene, il team doveva capire come leggerlo. I geni sono spesso scritti in tre parti chiamate CDS (sequenze codificanti), separate da spazi chiamati introni. I ricercatori hanno esaminato i dati dell'RNA (la copia del gene che la cellula usa effettivamente) per vedere come il gene veniva letto nella realtà.

Hanno scoperto che il gene DENR di D. pseudoobscura possiede tre CDS, proprio come il suo cugino nel comune moscerino della frutta. Questo è un grande evento perché significa che la struttura di base della storia non è cambiata, nonostante le due specie di moscerini si siano separate milioni di anni fa. Il gene produce due versioni leggermente diverse del messaggio (chiamate isoforme di mRNA, DENR-RA e DENR-RB), ma entrambe si traducono nella stessa identica proteina.

Quando hanno confrontato la sequenza proteica effettiva (il prodotto finale) tra i due moscerini, hanno scoperto che era identica all'89,5%. Questo è un punteggio molto alto! Tuttavia, c'è stato un piccolo colpo di scena: la primissima parte della proteina (la prima CDS) appariva un po' diversa tra le due specie. Le lettere nel codice non corrispondevano perfettamente come il resto del libro. Ma, quando hanno esaminato le proprietà chimiche di quella prima parte — ovvero come si comportano i mattoni della proteina — le due specie erano comunque molto simili. È come due persone che scrivono la stessa frase in lingue diverse; le parole possono sembrare diverse, ma trasmettono lo stesso significato e lo stesso peso.

Il verdetto finale

L'articolo non sostiene di aver scoperto un nuovo superpotere per i moscerini o di aver risolto un mistero medico. Inveve, offre una versione "curata e pulita" del gene DENR per D. pseudoobscura. I ricercatori propongono un modello genico specifico (una mappa di dove il gene inizia, finisce e come è strutturato) e hanno depositato questa nuova versione accurata del gene nei database pubblici (accessioni GenBank BK064553 e BK064554).

Facendo questo, hanno fornito un riferimento affidabile per altri scienziati. Ora, quando i ricercatori vorranno studiare come evolve la via di segnalazione dell'insulina attraverso diverse specie di moscerini della frutta, potranno confrontare il gene DENR di D. pseudoobscura con altri con fiducia, sapendo che il "testo" è stato controllato e corretto manualmente. Lo studio suggerisce che, sebbene la sequenza del DNA sia derivata leggermente nel tempo, il compito fondamentale di questa proteina — aiutare la cellula a iniziare a costruire le proteine e a rispondere all'insulina — è rimasto sorprendentemente stabile. Il lavoro è stato svolto utilizzando strumenti genomici standard e dati di RNA, e gli autori sono fiduciosi nel loro modello perché le prove provenienti dai vicini del gene e dai dati dell'RNA puntano tutte alla stessa conclusione.