Local chromatin, 3D genome folding and transposon cargo shape Sleeping Beauty transposition
Questo studio rivela che l'efficienza di trasposizione di Sleeping Beauty e i modelli di reintegrazione locale nelle cellule staminali embrionali di topo sono governati principalmente dall'accessibilità della cromatina e dalle dimensioni del sito di lancio, dall'architettura del ripiegamento del genoma 3D e dalle caratteristiche di sequenza specifiche del carico del trasposone, mentre la composizione della cromatina del sito di destinazione non ha alcun effetto significativo.
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All'interno del nucleo di ogni cellula vivente, il DNA che contiene le nostre istruzioni genetiche non è un filo sciolto e aggrovigliato. Al contrario, è ripiegato in una complessa struttura tridimensionale, molto simile a una città dove i quartieri sono raggruppati e collegati da percorsi specifici. Questa ripiegatura determina quali parti del genoma si trovano vicine tra loro nello spazio, anche se sono lontane quando misurate lungo il filamento lineare del DNA. Gli scienziati sanno da tempo che questa organizzazione spaziale influenza il modo in cui i geni vengono accesi e spenti, ma stanno ancora lavorando per capire come essa influenzi altri processi molecolari che si muovono attraverso la cellula. Uno di questi processi coinvolge i "geni saltellanti", o trasposoni, ovvero pezzi mobili di DNA capaci di tagliarsi da una posizione e inserirsi in un'altra. Questi elementi sono potenti strumenti per l'ingegneria genetica, che permettono ai ricercatori di spostare specifiche sequenze di DNA per studiare come funzionano i geni o per consegnare nuovo materiale genetico nelle cellule. Tuttavia, le regole che governano dove questi geni saltellanti atterrano dopo essere stati tagliati via sono rimaste in parte misteriose.
Un team di ricercatori dell'Istituto Nazionale sui Cancri dei Paesi Bassi si è posto l'obiettivo di mappare queste regole con alta precisiono. Si sono concentrati su un tipo specifico di gene saltellante chiamato Sleeping Beauty, che agisce come una coppia di forbici molecolari e colla. Quando attivato, questo sistema taglia un segmento di DNA dalla sua casa originale, nota come "sito di lancio", e lo incolla in una nuova posizione. I ricercatori volevano sapere due cose principali: prima, quali fattori determinano la facilità con cui il DNA viene tagliato e spostato; e seconda, cosa determina esattamente dove esso atterra nell'immenso genoma. Per rispondere a queste domande, hanno utilizzato cellule staminali embrionali di topo, che sono un modello standard per studiare i processi biologici fondamentali. Hanno creato una collezione di linee cellulari, ciascuna con un elemento Sleeping Beauty in una posizione specifica e nota nel genoma. Alcuni di questi elementi erano stati posizionati in regioni del genoma tranquille e densamente impacchettate, mentre altri in regioni attive e aperte. Hanno anche variato il "carico" trasportato dal gene saltellante, cambiando la sua dimensione e il tipo di istruzioni genetiche che conteneva, per vedere se queste proprietà influenzassero il viaggio.
I ricercatori hanno scoperto che l'ambiente in cui il DNA inizia il suo viaggio conta molto. Quando l'elemento Sleeping Beauty si trovava in una regione del genoma altamente attiva e aperta, era molto più difficile da tagliare e spostare. Al contrario, gli elementi situati in regioni più compatte e inattive venivano mobilitati molto più efficientemente. Ciò suggerisce che la natura frenetica e aperta della cromatina attiva interferisca in qualche modo con il macchinario necessario per tagliare il DNA e liberarlo. Inoltre, la dimensione e l'attività del carico stesso giocavano un ruolo. Pezzi di DNA più grandi erano più difficili da spostare e, se il carico conteneva istruzioni che venivano lette attivamente dalla cellula, il gene saltellante era meno propenso a essere mobilitato con successo. Sembra che più il DNA sia "impegnato", sia a causa della sua posizione che di ciò che trasporta, più difficile sia per la cellula spostarlo.
Una volta che il DNA è stato tagliato con successo, i ricercatori ne hanno tracciato la destinazione. Hanno scoperto che i punti di atterraggio non erano casuali. Inveve, il modello di dove il DNA si reintegrasse corrispondeva strettamente alla mappa di contatto tridimensionale del sito di lancio. In altre parole, il DNA tendeva a atterrare in luoghi che erano fisicamente vicini al suo punto di partenza nello spazio ripiegato 3D del nucleo, indipendentemente da quanto questi punti fossero lontani lungo il filamento lineare del DNA. Questa scoperta indica che la ripiegatura fisica del genoma è la guida principale per determinare dove il DNA atterra. Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che l'ambiente locale del sito di atterraggio non sembrava contare. Che il DNA atterrasse in una regione aperta e attiva o in una chiusa e tranquilla, la frequenza di atterraggio era la stessa, a condizione che la posizione fosse fisicamente vicina al sito di lancio nello spazio 3D. Le caratteristiche del destino non attiravano né respingevano il gene saltellante; solo la sua vicinanza nella struttura ripiegata contava.
Tuttavia, la storia è diventata più complessa quando i ricercatori hanno cambiato il carico. Quando il gene saltellante trasportava un tipo specifico di sequenza regolatoria nota come promotore, si comportava diversamente. Questi elementi erano più propensi ad atterrare molto vicino al sito di lancio, entro una distanza minuscola di diecimila paia di basi, ma erano anche più propensi a saltare verso cromosomi completamente diversi. Al contrario, quando il carico conteneva siti di legame specifici per una proteina chiamata CTCF, che aiuta a organizzare la struttura del genoma, il gene saltellante era meno propenso a lasciare il suo cromosoma originale. Ciò suggerisce che il carico stesso può influenzare il viaggio, forse alterando il modo in cui il DNA si ripiega o interagendo con il macchinario cellulare in modi che ne cambiano la mobilità. Lo studio conclude che, sebbene la struttura 3D del genoma sia la mappa principale per determinare dove atterrano i geni saltellanti, la specifica sequenza del DNA che viene spostato può modificare questa mappa, guidando il carico verso punti molto locali o attraverso il nucleo verso nuovi cromosomi. Queste intuizioni forniscono un quadro più chiaro di come gli elementi genetici mobili navigano nella cellula, il che è essenziale per progettare strumenti migliori per la terapia genica e per comprendere come i genomi si evolvono.
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