Ricerche

Ricercatori della Southern Methodist University hanno scoperto un altro livello di complessità nell'espressione genica, che potrebbe aiutare a spiegare perché abbiamo così tanti miliardi di neuroni nel nostro cervello.

I neuroni sono cellule all'interno del cervello e del sistema nervoso che sono responsabili di tutto ciò che facciamo, pensiamo o sentiamo. Usano impulsi elettrici e segnali chimici per inviare informazioni tra le diverse aree del cervello e tra il cervello e il resto del sistema nervoso, per dire al nostro corpo cosa fare.

Gli esseri umani hanno circa 86 miliardi di neuroni nel cervello che ci guidano a fare cose come sollevare un braccio o ricordare un nome. Eppure solo poche migliaia di geni sono responsabili della creazione di quei neuroni.

Tutte le cellule del sistema nervoso umano hanno le stesse informazioni genetiche. Ma alla fine, i geni vengono attivati ​​o disattivati ​​come un interruttore della luce per conferire ai neuroni caratteristiche e ruoli specifici. Comprendere il meccanismo di attivazione o disattivazione di un gene - il processo chiamato 'espressione genica' - potrebbe aiutare a spiegare quanti neuroni si sviluppano nell'uomo e negli altri mammiferi.

"Studi come questo stanno dimostrando come mediante combinazioni uniche di geni specifici, è possibile creare diversi neuroni specifici", ha affermato Adam D. Norris, coautore del nuovo studio e assistente professore nel Dipartimento di Scienze Biologiche della SMU. “Quindi lungo la strada, questo potrebbe aiutarci a spiegare: n. 1, come ha fatto il nostro cervello a diventare così complesso, e n. 2, come possiamo imitare la natura e creare qualunque tipo di neurone a cui potremmo essere interessati, seguendo queste regole".

Gli scienziati hanno già capito parte del puzzle dell'espressione genica, poiché studi precedenti hanno dimostrato che le proteine ​​chiamate 'fattori di trascrizione' svolgono un ruolo chiave nell'aiutare ad attivare o disattivare specifici geni, legandosi a DNA vicino.

Sappiamo anche che un processo chiamato 'RNA splicing' (giunzione, montaggio dell'RNA), che è controllato dalle proteine ​​che legano l'RNA, può aggiungere un ulteriore livello di regolazione a quel neurone. Una volta attivato un gene, possono essere create diverse versioni della molecola di RNA mediante l'RNA splicing.

Ma prima che lo studio SMU fosse completato, e pubblicato sulla rivista eLife, non era chiaro con esattezza quale era la logistica per creare quella diversità.

"Prima di questo studi, gli scienziati si erano concentrati principalmente sui fattori di trascrizione, che è il primo strato dell'espressione genica. Questo è lo strato su cui solitamente si concentra la generazione di specifici tipi di neuroni", ha detto Norris. "Stiamo aggiungendo quel secondo strato e dimostrando che [fattori di trascrizione e proteine ​​leganti l'RNA] devono essere coordinati correttamente".

E, ha osservato Norris, "questa è stata la prima volta in cui il coordinamento dell'espressione genica è stato identificato in un singolo neurone".

Usando una combinazione di tecniche genetiche di vecchia scuola e di avanguardia, i ricercatori hanno esaminato il modo in cui l'RNA di un gene chiamato sad-1, presente anche nell'uomo, veniva unito nei singoli neuroni del verme Caenorhabditis elegans. Hanno scoperto che il sad-1 era attivato in tutti i neuroni, ma il sad-1 subiva schemi diversi di splicing in tipi diversi di neuroni.

E, anche se i fattori di trascrizione non hanno dimostrato di partecipare direttamente allo splicing dell'RNA per il gene sad-1, stavano attivando geni che codificano le proteine ​​leganti l'RNA in modo diverso tra i diversi tipi di neuroni. Sono queste proteine ​​leganti l'RNA che controllano lo splicing dell'RNA.

"Una volta attivato quel gene, questi fattori sono entrati e hanno leggermente modificato il contenuto di quel gene", ha detto Norris. Di conseguenza, il sad-1 è stato giuntato, montato secondo schemi specifici per neurone.

Hanno anche scoperto che la regolazione coordinata aveva dettagli diversi in neuroni diversi; nelle parole di Norris:

“Immagina due neuroni diversi che vogliono raggiungere lo stesso obiettivo. Puoi immaginare che percorrano esattamente lo stesso percorso per arrivarci o che prendono percorsi divergenti. In questo studio, stiamo dimostrando che la risposta a questo punto è percorsi divergenti. Anche in un singolo neurone, ci sono diversi livelli di espressione genica che insieme rendono quel neurone il neurone unico che è".

Norris ha usato neuroni di verme perché “a differenza dell'uomo, sappiamo dove si trova ogni neurone nel verme e cosa dovrebbe fare. Pertanto, possiamo sapere con certezza quali geni sono responsabili di ogni processo neurale.

“I dettagli molto specifici di questo studio non valgono per gli umani. Ma si spera che i principi coinvolti lo siano. Dagli ultimi decenni di lavoro nel sistema nervoso del verme, specifici geni che hanno provato di avere un effetto specifico sul comportamento del verme si sono successivamente dimostrati responsabili degli stessi tipi di cose nei nervi umani".