Multi-omic long-read sequencing reveals nucleosome control of transcriptional fidelity at the isoform level

All'interno di ogni cellula vivente, le istruzioni per costruire e far funzionare un organismo sono scritte in una molecola lunga e sottile chiamata DNA. Per far entrare questa molecola massiccia in uno spazio microscopico, viene avvolta strettamente attorno a proteine simili a bobine chiamate nucleosomi. Immaginate queste bobine come le perle su un filo. Questo avvolgimento fa molto di più che risparmiare spazio; agisce come un guardiano. Quando il DNA è avvolto strettamente, i macchinari della cellula non possono leggere le istruzioni. Quando le bobine vengono spostate o rimosse, le istruzioni diventano accessibili e la cellula può iniziare a lavorare. La cellula utilizza proteine speciali, note come rimodellatori, per far scorrere queste bobine lungo il filo di DNA, aprendo sezioni specifiche per iniziare a leggere i geni e chiudendole quando il lavoro è terminato. Questo processo è fondamentale perché un singolo gene può essere letto in modi diversi per produrre diverse versioni di una proteina, e la disposizione precisa di queste bobine aiuta a determinare quale versione venga prodotta.

Per molto tempo, gli scienziati hanno faticato a vedere come la disposizione di queste bobine su un pezzo specifico di DNA influenzasse l'esatta versione di una proteina prodotta da quel medesimo pezzo di DNA. I metodi precedenti erano come scattare una fotografia sfocata di una folla; potevano dirvi il numero medio di persone in una stanza, ma non potevano dirvi quale persona specifica si trovasse accanto a quale oggetto specifico. Non potevano vedere se le bobine fossero aperte all'inizio di un gene e chiuse nel mezzo sullo stesso identico filamento di DNA. Senza questa visione chiara, era impossibile capire come lo stato fisico del DNA modellasse direttamente il messaggio genetico finale.

Un team di ricercatori dell'Università della California, Santa Cruz, ha deciso di risolvere questo problema osservando i singoli filamenti di DNA anziché le medie. Hanno lavorato con il lievito di birra, un organismo semplice spesso usato per studiare la biologia cellulare di base. Gli scienziati hanno rimosso due proteine specifiche, ISW1 e CHD1, che agiscono come i motori delle bobine cellulari. Senza queste proteine, le bobine sul filo di DNA perdono la loro disposizione ordinata. I ricercatori hanno poi utilizzato una nuova e potente tecnologia di sequenziamento che può leggere filamenti molto lunghi di DNA e RNA in un colpo solo. Ciò ha permesso loro di guardare un singolo filamento di DNA e vedere esattamente dove si trovavano le bobine, e poi guardare il messaggio di RNA prodotto da quel medesimo filamento per vedere cosa la cellula avesse effettivamente costruito.

Hanno sviluppato un nuovo metodo informatico per classificare i singoli filamenti di DNA in gruppi basati su quanto le bobine fossero aperte o chiuse all'inizio del gene e nel mezzo del gene. Hanno scoperto che, quando le proteine che muovono le bobine sono mancanti, la cellula non disordina il DNA in modo casuale. Invece, le bobine si muovono in modo coordinato. In molti filamenti di DNA, le bobine che solitamente si trovano all'inizio di un gene si sono spostate nel mezzo del gene, mentre il centro del gene è diventato aperto. Questo spostamento ha cambiato le istruzioni seguite dalla cellula. Geni che erano solitamente silenziosi sono diventati attivi, e geni che erano solitamente rumorosi sono diventati più silenziosi. Più importante ancora, la cellula ha iniziato a leggere i geni dai punti di partenza sbagliati, creando versioni diverse del messaggio genetico rispetto al normale.

Lo studio ha rivelato che questo cambiamento nella disposizione delle bobine è stata la causa diretta della produzione di versioni diverse di proteine da parte della cellula. Quando le bobine erano nel posto sbagliato, la macchina da lettura della cellula, chiamata RNA polimerasi, aveva difficoltà a muoversi fluidamente lungo il DNA. Iniziava a leggere ma poi si fermava o si staccava prima di finire il lavoro. Questo accadeva in particolare per i geni che erano solitamente molto attivi. I ricercatori hanno anche scoperto che la cellula aveva difficoltà a tagliare le parti non necessarie del messaggio genetico, un processo chiamato splicing. Poiché le bobine non erano spaziate correttamente, il macchinario che esegue questo taglio non poteva svolgere il proprio compito in modo efficiente, portando a messaggi incompleti o difettosi.

Uno dei risultati più sorprendenti è stato che la cellula cercava di compensare questi errori iniziando a leggere da punti nascosti all'interno dei geni. Questi punti nascosti sembravano punti di partenza normali, ma erano solitamente bloccati dalle bobine. Quando le proteine che muovono le bobine venivano rimosse, questi punti nascosti si aprivano e la cellula iniziava a leggere da lì. Ciò significava che la cellula stava producendo un mix di messaggi corretti e errati, spesso dallo stesso gene contemporaneamente. I ricercatori hanno dimostrato che la specifica disposizione delle bobine su un singolo filamento di DNA poteva predire esattamente quale versione del messaggio la cellula avrebbe prodotto.

Lo studio ha anche escluso l'idea comune che la macchina da lettura della cellula si scontrasse con altre macchine che cercavano di iniziare a leggere da questi punti nascosti. I dati hanno mostrato che il rallentamento avveniva anche quando non c'erano altre macchine sulla strada. Invece, il problema era semplicemente che il filamento di DNA stesso era troppo disordinato. Senza la spaziatura regolare delle bobine, la macchina da lettura non poteva avanzare attraverso il DNA in modo efficiente. Questa mancanza di ordine rendeva anche più difficile per la cellula tagliare le parti extra del messaggio, portando a più errori nel prodotto finale.

Osservando il macchinario cellulare un filamento alla volta, i ricercatori hanno dimostrato che l'organizzazione fisica del DNA è un sistema di controllo preciso. Non si limita ad accendere o spegnere i geni; detta esattamente come le istruzioni vengono lette ed elaborate. Quando le proteine che organizzano il DNA vengono rimosse, il sistema perde la sua fedeltà, portando a un mix caotico di messaggi genetici. Questo lavoro fornisce un'immagine chiara di come la struttura fisica del nostro codice genetico influenzi la complessa varietà di proteine che rendono possibile la vita, mostrando che la disposizione delle bobine è importante quanto le lettere stesse scritte sul filamento di DNA.