RNA-dependent chromatin organization during development
Utilizzando la tecnica migliorata della Microscopia di Espansione della Cromatina in embrioni di zebrafish in via di sviluppo, i ricercatori hanno scoperto che l'RNA nucleare, piuttosto che il segno canonico dell'eterocromatina H3K27me3, è il principale motore della compattazione della cromatina a mesoscala durante lo sviluppo.
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All'interno di ogni cellula vivente, il nucleo funge da centro di comando, ospitando i lunghi e aggrovigliati filamenti di DNA che contengono le istruzioni per costruire e mantenere un organismo. Affinché una cellula funzioni correttamente, questi filamenti devono essere organizzati con estrema precisione. Non possono essere semplicemente un gomitolo di lana sciolto; devono essere impacchettati in forme e compartimenti specifici per garantire che i giusti geni vengano attivati o disattivati al momento giusto. Questa organizzazione è particolarmente critica durante i primi istanti della vita, quando una singola cellula uovo fecondata si divide rapidamente e si trasforma in un embrione complesso. Gli scienziati sanno da tempo che il DNA all'interno di queste cellule in via di sviluppo subisce un cambiamento fisico drammatico, passando da uno stato sciolto e aperto a una struttura più densamente impacchettata. Tuttavia, le regole che governano come avviene questo impacchettamento, e quali forze lo guidino, sono rimaste un mistero perché le strutture sono troppo piccole per essere viste chiaramente con i microscopi standard.
Un team di ricercatori dell'Università della California, San Francisco, ha ora scrutato in questo mondo nascosto utilizzando una nuova visione altamente ingrandita degli embrioni di zebrafish in via di sviluppo. Sviluppando una tecnica migliorata che distende fisicamente le cellule per renderle più facili da vedere, hanno osservato come il DNA si organizza mentre l'embrione cresce. Il loro lavoro rivela che l'impacchettamento fisico del DNA è guidato non dai tag chimici che gli scienziati ritenevano fossero responsabili, ma dalla presenza di RNA, una molecola che agisce come un messaggero che trasporta istruzioni genetiche. Questa scoperta suggerisce che l'atto stesso di leggere il codice genetico aiuta a dare forma alla struttura fisica del nucleo stesso.
Per vedere queste minuscole strutture, i ricercatori hanno dovuto superare un ostacolo significativo: il nucleo è incredibilmente piccolo e il DNA al suo interno è impacchettato così strettamente che i microscopi standard ne sfocano i dettagli. Il team si è rivolto a un metodo chiamato microscopia a espansione della cromatina. Immaginate di prendere un delicato e intricato pezzo di pizzo e di immergerlo delicatamente in un gel speciale che lo fa gonfiare in modo uniforme, rendendo ogni filo più grande e facile da esaminare senza distorcere il disegno. I ricercatori hanno perfezionato questa tecnica per farla funzionare su interi embrioni di zebrafish, espandendoli quasi diciannove volte la loro dimensione originale. Questo ingrandimento massiccio ha permesso loro di visualizzare il DNA a una scala di appena pochi nanometri, rivelando i dettagli fini di come il materiale genetico sia disposto all'interno delle singole cellule.
Quando hanno osservato lo sviluppo degli embrioni da tre a sei ore dopo la fecondazione, hanno visto una trasformazione chiara e passo dopo passo. Nella fase iniziale, il DNA appariva come una nuvola relativamente uniforme con piccoli punti luminosi sparsi in tutto l'interno. Con l'invecchiamento dell'embrione, questa nuvola si è riorganizzata in un modello distinto. Grandi cluster densi di DNA si sono formati, separati da spazi vuoti dove non era presente alcun DNA. Questo cambiamento indicava che il DNA stava diventando più compatto e organizzato in domini specifici. I ricercatori hanno misurato questo cambiamento calcolando quanto fossero distanti i filamenti di DNA l'uno dall'altro, scoprendo che la distanza su cui il modello del DNA si ripeteva cresceva significativamente con lo sviluppo dell'embrione. Ciò ha confermato che il nucleo stava costruendo un'architettura complessa e di ordine superiore mentre le cellule iniziavano a differenziarsi.
Per decenni, gli scienziati hanno creduto che un particolare segno chimico sulle proteine di impacchettamento del DNA fosse la forza primaria che guidava questa compattazione. Questo segno, noto come H3K27me3, si trova spesso sul DNA strettamente impacchettato ed è associato allo spegnimento dei geni. Si assumeva che questo segno agisse come un interruttore, dicendo al DNA di ripiegarsi e diventare denso. Per testare questa idea, i ricercatori hanno utilizzato uno strumento molecolare preciso per rimuovere gli enzimi responsabili del posizionamento di questo segno sul DNA negli embrioni di zebrafish. Sono riusciti a ridurre il livello di questo segno chimico di oltre l'80 percento.
Il risultato è stato sorprendente. Anche senza questo importante tag chimico, il DNA si è comunque compattato negli stessi cluster densi e organizzati. La struttura fisica del nucleo si è formata proprio come nei normali embrioni. Questa scoperta ha smentito la convinzione di lunga data secondo cui questo specifico segno chimico è necessario per costruire l'architettura fisica del nucleo. I ricercatori hanno anche controllato se le cellule stessero usando un diverso segno chimico per compensare, ma non hanno trovato prove di ciò. Il DNA si è impacchettato indipendentemente dall'assenza di questi tradizionali segnali di silenziamento.
Se i tag chimici non erano la causa, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione al processo di trascrizione, in cui la cellula legge il DNA per creare molecole di RNA. Sospettavano che l'atto di leggere il codice genetico potesse essere la forza fisica che organizza il DNA. Per testare questo, hanno trattato gli embrioni con una sostanza che impedisce alla cellula di leggere il DNA. Quando la trascrizione è stata bloccata, i cluster organizzati di DNA sono scomparsi. Invece di formare domini densi, il DNA si è diffuso in una massa omogenea e sciolta, perdendo la struttura che aveva precedentemente costruito. Ciò ha dimostrato che il processo di lettura dei geni è essenziale per mantenere la forma compatta del nucleo.
Interessante è che, quando la trascrizione si è fermata, i segni chimici che di solito silenziano i geni sono in realtà aumentati di numero, eppure il DNA non si è comunque impacchettato. Ciò ha dimostrato che questi segni chimici da soli non erano sufficienti a creare la struttura; avevano bisogno del processo attivo di lettura del DNA per funzionare. I ricercatori si sono poi chiesti se le molecole di RNA stesse fossero la chiave. Hanno bloccato la capacità della cellula di degradare l'RNA, causando un aumento significativo dei livelli di RNA all'interno del nucleo senza aumentare il tasso di trascrizione. In queste condizioni, il DNA è diventato ancora più compatto del solito. Più RNA era presente, più il DNA si impacchettava strettamente.
I ricercatori hanno anche osservato dove l'RNA si trovasse all'interno del nucleo. Hanno scoperto che l'RNA tendeva ad accumularsi negli spazi vuoti tra i densi cluster di DNA, spingendo efficacemente i filamenti di DNA insieme. Ciò suggerisce che l'RNA agisca come uno scaffold fisico o una componente strutturale che aiuta a organizzare il nucleo. Lo studio conclude che, durante lo sviluppo precoce, l'accumulo di RNA è un motore primario di come il genoma sia fisicamente disposto. Questo mette in discussione la visione tradizionale secondo cui i tag chimici sono i principali architetti della struttura nucleare e pone invece la presenza fisica dell'RNA al centro del processo. I risultati suggeriscono che il nucleo non è solo un contenitore passivo per il DNA, ma un ambiente dinamico in cui l'atto di leggere l'informazione genetica modella attivamente lo spazio fisico in cui la vita ha inizio.
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