Position-resolved k-mer analysis of mature microRNAs reveal widespread CG and UA depletion across taxa

All'interno di ogni cellula vivente, una vasta rete di minuscole istruzioni molecolari mantiene il regolare funzionamento dei meccanismi della vita. Tra le più importanti di queste istruzioni ci sono brevi filamenti di RNA chiamati microRNA. Queste molecole agiscono come regolatori precisi, individuando sequenze corrispondenti specifiche in altri messaggi genetici e silenziandoli per garantire che la cellula produca le proteine giuste al momento giusto. Affinché un microRNA funzioni, la sua forma e la sua composizione chimica devono essere esatte. Gli scienziati sanno da tempo che le primissime lettere della sequenza di un microRNA sono critiche, agendo come una chiave che si inserisce in una specifica serratura per avviare il processo. Tuttavia, le regole che governano il resto della molecola — le lettere che seguono quelle iniziali poche — sono rimaste un mistero. Le lettere che siedono vicine in questi minuscoli filamenti seguono un modello nascosto, o sono disposte casualmente?

Un team di ricercatori della Bharathidasan University in India ha ora mappato l'intero panorama di queste minuscole molecole per rispondere a questa domanda. Non hanno esaminato solo un manipolo di esempi; invece, hanno esaminato quasi 49.000 record di microRNA maturi da 271 diversi organismi, che vanno dagli esseri umani e altri mammiferi agli insetti, ai pesci e alle piante. Analizzando questa massiccia collezione, hanno scoperto che la disposizione delle lettere in queste molecole è tutt'altro che casuale. Esiste una regola diffusa e costante che governa il modo in cui questi brevi filamenti genetici sono costruiti, una regola che si mantiene valida in tutto l'albero della vita.

I ricercatori si sono concentrati su quanto spesso coppie specifiche di lettere appaiano l'una accanto all'altra. Nel linguaggio della genetica, queste coppie sono chiamate dinucleotidi. Quando hanno contato ogni possibile accoppiamento attraverso i milioni di sequenze studiate, due coppie specifiche si sono distinte per la loro assenza. La combinazione delle lettere C e G, e la combinazione di U e A, apparivano molto meno spesso di quanto previsto dal caso. Infatti, la coppia C-G era la più rara tra tutte le sedici possibili combinazioni, costituendo solo circa il 3,3 percento del totale. La coppia U-A era la seconda più rara. Al contrario, la coppia U-G era la più comune, apparendo significativamente più spesso di quanto previsto.

Per garantire che questi risultati non fossero solo il risultato dei numeri, gli scienziati hanno utilizzato un metodo di confronto rigoroso. Hanno creato due diversi set di scenari "cosa succederebbe se". Nel primo, hanno preso le stesse identiche sequenze di microRNA e hanno rimescolato l'ordine delle lettere all'interno di ciascuna di esse, mantenendo il numero totale di ciascuna lettera ma distruggendo qualsiasi ordine naturale. Nel secondo, hanno rimescolato le lettere in ogni specifica posizione attraverso tutte le sequenze della stessa lunghezza. Anche quando confrontati con queste versioni rimescolate e casuali, i veri microRNA mostravano ancora una distinta mancanza di coppie C-G e U-A. Ciò ha dimostrato che la scarsità di queste coppie è una caratteristica genuina delle molecole, non solo un effetto collaterale di quanti di ciascuna lettera siano presenti.

Questo schema di scarsità non era limitato alle coppie di due lettere. I ricercatori hanno anche osservato gruppi di tre lettere, noti come trinucleotidi. Hanno scoperto che ogni singola combinazione contenente una coppia C-G o una coppia U-A era anch'essa depletata, apparendo meno frequentemente di quanto previsto dai modelli casuali. Ciò suggerisce che la regola contro questi specifici vicini si applica lungo l'intero filamento del microRNA, non solo in un punto specifico. Il reperto è stato coerente in tutti i dieci principali gruppi di organismi testati, dalle piante con fiori ai nematodi e agli esseri umani. Che l'organismo fosse una pianta o un animale, i microRNA evitavano costantemente di posizionare una C accanto a una G o una U accanto a una A.

C'era un'interessante eccezione che richiedeva un'ispezione più ravvicinata. Mentre la coppia U-A era rara nel complesso, i ricercatori hanno notato un piccolo picco nella sua frequenza proprio all'inizio della sequenza del microRNA. Alla prima posizione, la coppia U-A appariva più spesso rispetto al resto della molecola. Tuttavia, quando gli scienziati hanno tenuto conto del fatto che la prima lettera di un microRNA è quasi sempre una U, questo picco è scomparso. Si è scoperto che l'alto numero di coppie U-A all'inizio era semplicemente dovuto al fatto che c'erano così tante U all'inizio per cominciare, non perché la molecola avesse una speciale preferenza per posizionare una A subito dopo una U. Una volta presa in considerazione questa composizione iniziale, la coppia U-A è stata trovata depletata ovunque, proprio come la coppia C-G.

Lo studio ha anche esplorato perché questi schemi possano esistere. Per le coppie C-G mancanti, una spiegazione plausibile risiede nella storia della mutazione del DNA. In molti animali, la lettera C viene spesso modificata chimicamente in un modo che la rende incline a cambiare in T (o U nell'RNA) nel corso dell'evoluzione. Se una coppia C-G nel DNA muta in una coppia U-G, l'RNA risultante avrà naturalmente meno coppie C-G e più coppie U-G. Questo corrisponde all'osservazione dei ricercatori secondo cui la U-G è la coppia più comune mentre la C-G è la più rara. Tuttavia, l'articolo nota che questa è solo un'ipotesi; lo studio non ha misurato direttamente i tassi di metilazione del DNA o di mutazione, quindi rimane una possibilità probabile piuttosto che una causa confermata.

Il motivo della scarsità della coppia U-A, tuttavia, rimane un completo mistero. I ricercatori non sono riusciti a trovare un meccanismo biologico che spieghi perché queste due lettere evitino di stare vicine. È possibile che la struttura della molecola stessa, il modo in cui viene elaborata all'interno della cellula, o il modo in cui interagisce con i suoi bersagli, renda la combinazione U-A instabile o indesiderabile. Lo studio ha identificato con successo che questa depletione esiste ed è universale, ma si ferma prima di spiegarne il perché.

Creando una mappa dettagliata di come le lettere siano disposte in questi minuscoli regolatori, i ricercatori hanno fornito una nuova base per comprendere la biologia dei microRNA. Hanno dimostrato che queste molecole non sono solo stringhe casuali di lettere, ma sono costruite con un'architettura specifica e conservata che è stata mantenuta attraverso milioni di anni di evoluzione. Sebbene la ragione completa di questa architettura non sia ancora nota, la scoperta che i microRNA evitano universalmente certe combinazioni di lettere offre un nuovo indizio per gli scienziati che cercano di capire come queste molecole critiche funzionino ed evolvano. Il lavoro suggerisce che le regole della vita siano scritte non solo nelle singole lettere, ma nei modi specifici in cui a quelle lettere è permesso stare l'una accanto all'altra.