Computational Evidence that Array-Associated Reverse Transcriptase Loci Are Retron Systems with Multiple ncRNA Genes

La vita sulla Terra è una costante negoziazione tra invasori genetici e gli organismi che cercano di infettare. I batteri e i virus che li cacciano, noti come fagi, sono intrappolati in una corsa agli armamenti evolutiva da miliardi di anni. Per sopravvivere, i batteri hanno sviluppato sofisticati sistemi di difesa, alcuni dei quali si affidano a un tipo speciale di enzima chiamato trascrittasi inversa. Questo enzima agisce come una fotocopiatrice molecolare, ma invece di copiare il DNA in altro DNA, legge l'RNA per creare una molecola ibrida unica composta sia da RNA che da DNA. In molti sistemi di difesa batterica noti, questo processo è gestito da una coppia: l'enzima e una specifica guida di RNA che gli dice cosa copiare. Recentemente, gli scienziati hanno scoperto una strana nuova famiglia di questi enzimi nei batteriofagi, ma il loro scopo e il loro funzionamento rimanevano un mistero.

Uno studio recente di Yuzhen Ye dell'Università Indiana di Bloomington offre una nuova prospettiva su questi misteriosi sistemi, suggerendo che non siano invenzioni del tutto nuove, bensì una strana variazione degli strumenti di difesa noti. I ricercatori si sono concentrati su un gruppo di enzimi chiamati trascrittasi inverse associate ad array, o ART. Questi sono stati avvistati per la prima volta nei genomi dei batteriofagi, dove si trovano accanto a lunghi tratti ripetuti di DNA che somigliano in parte agli array di difesa usati dai batteri per ricordare le infezioni passate. La scoperta iniziale li aveva descritti come una nuova famiglia, ma la nuova analisi suggerisce una storia diversa. Utilizzando programmi informatici per esaminare il codice genetico e prevedere come le molecole di RNA si ripiegano in forme tridimensionali, lo studio propone che questi sistemi ART siano in realtà un tipo unico del noto sistema di difesa, caratterizzato dall'avere molte copie della guida di RNA disposte in fila anziché una sola.

L'indagine è iniziata esaminando da vicino i quartieri genetici in cui vivono questi enzimi. I ricercatori hanno analizzato i genomi di diversi batteriofagi e un frammento di DNA ambientale del suolo, cercando le firme genetiche specifiche dei sistemi di difesa noti. Hanno scoperto che gli enzimi in questione erano più simili alle trascrittasi inverse trovate nei normali sistemi di difesa batterica, piuttosto che a qualsiasi altro tipo di enzima. Questa somiglianza era abbastanza forte da suggerire che appartengano alla stessa famiglia. Tuttavia, la vera sorpresa arrivò quando il team esaminò il DNA circostante questi enzimi. Invece di trovare un singolo gene di RNA accanto all'enzima, come avviene tipicamente, hanno trovato lunghi array contenenti molteplici copie di geni di RNA. In un virus c'erano cinque copie, in un altro sette e in un frammento di DNA del suolo ce n'erano fino a quattordici.

A prima vista, queste sequenze di RNA ripetute sembravano molto diverse tra loro, proprio come una fila di case che sono state dipinte con colori diversi e hanno stili di finestre differenti. Se si guardavano solo le lettere del codice genetico, le differenze erano significative. Tuttavia, i ricercatori hanno utilizzato modelli informatici per prevedere come questi filamenti di RNA si sarebbero ripiegati in forme fisiche. Quando hanno esaminato queste strutture previste, è emerso un modello chiaro. Nonostante le differenze nelle loro lettere genetiche, le molecole di RNA si ripiegavano tutte in forme simili. Fondamentalmente, tutte mantenevano caratteristiche strutturali specifiche note per essere essenziali affinché il sistema di difesa funzioni, come un particolare loop che tiene un punto di partenza chiave per l'enzima e altre regioni stabili che aiutano l'enzima a riconoscere l'RNA.

Questa scoperta mette in discussione l'idea che questi sistemi siano un tipo completamente nuovo di meccanismo di difesa. La scoperta iniziale aveva notato che il DNA ripetuto somigliava agli array usati dai batteri per conservare le memorie di passati attacchi virali, portando all'ipotesi che si trattasse di un nuovo tipo di sistema. Il nuovo studio suggerisce che la somiglianza con quegli array di memoria sia superficiale. Le unità ripetute non sono copie identiche di una memoria, ma una serie di geni di RNA correlati che si sono diversificati nel tempo. Sembrano diversi in superficie, ma condividono lo stesso schema fondamentale, proprio come una famiglia di strumenti che sono stati modificati per compiti diversi ma che condividono ancora lo stesso meccanere centrale. I ricercatori hanno scoperto che le parti più importanti della struttura, le parti che l'enzima deve afferrare e utilizzare, rimanevano conservate in tutte le copie, anche mentre il resto della sequenza cambiava.

Lo studio non pretende di aver risolto l'intero mistero di ciò che questi sistemi fanno. I ricercatori sottolineano che le loro conclusioni si basano sull'analisi informatica di sequenze genetiche e forme previste, non su esperimenti diretti in laboratorio. Suggeriscono che questi sistemi rappresentino probabilmente un'architettura insolita in cui un singolo enzima è accoppiato con un array in tandem di molteplici guide di RNA. Questa disposizione potrebbe consentire al virus di produrre una varietà di prodotti di difesa da un singolo enzima, o potrebbe essere un modo per diversificare le proprie difese contro diverse minacce. È anche possibile che alcune di queste copie di RNA siano resti non funzionali di un passato evolutivo. L'autore nota che per confermare come funzionano questi sistemi, gli scienziati dovranno coltivare questi virus in laboratorio, estrarre le molecole e osservare l'enzima in azione per vedere se produce le molecole ibride attese.

In definitiva, questo lavoro inquadra nuovamente la nostra comprensione di un sistema biologico recentemente scoperto. Suggerisce che ciò che appariva come una nuova e non caratterizzata famiglia di enzimi è in realtà una variazione di una nota strategia di difesa, che si è evoluta per trasportare molteplici guide di RNA in un singolo cluster genetico. Lo studio evidenzia come l'analisi informatica possa rivelare connessioni nascoste tra sequenze genetiche che appaiono diverse in superficie ma condividono una logica strutturale comune. Sebbene il vantaggio biologico esatto di avere così tante copie di RNA rimanga sconosciuto, le prove indicano un sistema che è profondamente radicato nel kit di strumenti esistente della difesa batterica, riadattato ed espanso in un modo che è allo stesso tempo sorprendente ed elegante. Il passo successivo per la comunità scientifica è passare da queste previsioni computazionali alla prova sperimentale, per vedere se questi schemi genetici si traducono nella complessa macchina molecolare che sembrano essere.