Splicing alternativo: un anagramma biologico
Lo splicing alternativo è un processo fondamentale nella regolazione dell’espressione genica e della diversità proteica. È un processo post-trascrizionale che consente a un singolo gene di generare più varianti di mRNA e quindi di produrre proteine diverse, attraverso la selezione differenziale di esoni e introni durante il processo di splicing dell’RNA pre-messaggero (pre-mRNA). Riconosciuto da tempo come un meccanismo per aumentare la varietà di proteine prodotte da un singolo gene, lo splicing alternativo sta emergendo come un fattore chiave nella regolazione dell’espressione genica stessa. Studi recenti hanno suggerito che lo splicing alternativo può influenzare l’espressione genica in modo più significativo della diversità proteica. Questo articolo esplorerà in dettaglio il ruolo dello splicing alternativo, discutendo i meccanismi con cui opera, le sue implicazioni per l’espressione genica e la funzione cellulare e le sue potenziali applicazioni nella ricerca biomedica.
Meccanismi di splicing alternativo
Dopo che il DNA è stato trascritto in RNA, il pre-mRNA contiene sia esoni (regioni codificanti) che introni (regioni non codificanti). Durante lo splicing, gli introni vengono rimossi e gli esoni vengono uniti insieme per formare l’mRNA maturo. Questo processo consente una selezione differenziale degli esoni, producendo varianti di mRNA che possono tradursi in diverse isoforme proteiche. Le modalità di splicing alternative includono la ritenzione degli introni, lo skipping degli esoni, l’uso alternativo dei siti di splicing 5′ o 3′ e l’inclusione di esoni alternativi.
Impatto sulla diversità proteica
Tradizionalmente, lo splicing alternativo è stato considerato un meccanismo chiave per aumentare la diversità proteica. Poiché un singolo gene può dare origine a più isoforme proteiche, lo splicing alternativo espande notevolmente il repertorio proteico senza richiedere un corrispondente aumento del numero di geni. Diverse isoforme proteiche generate tramite splicing alternativo possono avere funzioni diverse, diverse posizioni subcellulari e interazioni specifiche con altre proteine. Lo splicing alternativo può modulare la funzione di una proteina alterando domini funzionali critici, influenzando così l’attività biologica della proteina.
Ruolo nel controllo dell’espressione genica
Oltre a contribuire alla diversità proteica, lo splicing alternativo svolge un ruolo cruciale nella regolazione dell’espressione genica. Questo processo può influenzare la stabilità dell’mRNA, la sua traduzione e, di conseguenza, il livello di proteine prodotte da un gene. Le varianti di mRNA generate dallo splicing alternativo possono differire nella loro stabilità. Alcune isoforme possono essere rapidamente degradate, riducendo così la quantità di proteine tradotte da quell’mRNA. Alcune varianti di mRNA possono essere meno efficienti nel processo di traduzione, limitando ulteriormente la produzione di proteine. Lo splicing alternativo può quindi modulare l’espressione genica regolando la quantità di proteine prodotte da un gene.
Entrando nel dettaglio, anche molti fattori di trascrizione hanno la possibilità di andare incontro a splicing alternativo con effetti drammatici sul destino cellulare. Il fattore Elk-1 del complesso responsivo alla stimolazione da siero (SRF), stimolato dai fattori di crescita, mette in moto tutta una batteria di geni per condurre le cellule a proliferare; è molto attivo nelle cellule tumorali, tanto per restare in tema. Nei neuroni cerebrali, invece, esiste la sua forma tronca (shElk), la cui porzione che lega il DNA è incompleta. Questa proteina funzione da “dominante negativo” che protegge i neuroni da qualsiasi tentativo di replicazione inappropriata, dato che essendo i neuroni “cellule perenni” non possono dividersi per dare cellule figlie.
Interazione con il decadimento mediato da nonsenso (NMD)
Uno dei meccanismi tramite cui lo splicing alternativo può influenzare l’espressione genica è il decadimento mediato da nonsenso (NMD), un processo di sorveglianza della qualità dell’mRNA che elimina le trascrizioni con codoni di stop prematuri, impedendo la produzione di proteine troncate e potenzialmente dannose. Lo splicing alternativo può generare varianti di mRNA contenenti codoni di stop prematuri. Questi trascritti sono presi di mira da NMD, che li degrada prima che possano essere tradotti in proteine. Attraverso NMD, lo splicing alternativo può ridurre la quantità di mRNA disponibile per la traduzione, modulando così l’espressione genica a livello post-trascrizionale.
Effetti epigenetici e trascrizionali
Lo splicing alternativo può interagire con la regolazione epigenetica e trascrizionale dei geni. Le modifiche epigenetiche, come la metilazione del DNA e la modifica degli istoni, possono influenzare i siti di splicing e, di conseguenza, le varianti di mRNA prodotte. Al contrario, le varianti di mRNA possono influenzare l’attività trascrizionale e l’organizzazione della cromatina. La metilazione del DNA nelle regioni del promotore o in prossimità dei siti di splicing può alterare l’efficienza dello splicing, influenzando le varianti di mRNA prodotte e quindi l’espressione genica. Le modifiche post-traduzionali degli istoni possono influenzare l’accesso del macchinario di splicing ai siti di splicing, modulando la scelta degli esoni.
Implicazioni biologiche e cliniche: ruolo nelle malattie
Lo splicing alternativo è coinvolto in numerose malattie, tra cui disturbi genetici, cancro e malattie neurodegenerative. Le mutazioni nei siti di splicing o nei fattori di splicing possono portare a uno splicing aberrante, che può alterare l’espressione genica e contribuire alla malattia. Le mutazioni che influenzano lo splicing alternativo possono causare la produzione di isoforme proteiche non funzionali o addirittura dannose, contribuendo alla patogenesi di malattie genetiche. Nel cancro, lo splicing alternativo può portare all’espressione di isoforme proteiche che promuovono la proliferazione cellulare, l’angiogenesi o la resistenza all’apoptosi. Per esempio, le proteine linfoma a cellule B (Bcl) hanno dei membri che sopprimono l’apoptosi ed altre che la stimolano. Il caso più eclatante è la proteina Bcl-X che ha due forme: la prima è la forma intera o lunga (XL) che è anti-apoptotica, la seconda è corta per splicing alternativo (XS) e scavalca la forma XL o la proteina Bcl-2 attenuandone l’effetto protettivo.
Potenziali applicazioni terapeutiche
La comprensione dei meccanismi dello splicing alternativo offre opportunità per lo sviluppo di nuove terapie mirate. Gli approcci terapeutici che modulano lo splicing alternativo possono correggere lo splicing aberrante e ripristinare la normale espressione genica. I farmaci che influenzano lo splicing alternativo possono essere utilizzati per correggere lo splicing aberrante nelle malattie genetiche, offrendo un nuovo approccio terapeutico. Questa categoria di farmaci è allo studio per la correzione dell’atrofia muscolare spinale (SMA) o dell’atrofia muscolare di Dichenne. Uno dei primi composti scoperti capaci di stimolare uno splicing alternativo è stato l’Ataluren (oggi usato nel trattamento della distrofia di Duchenne col nome Translarna) che modifica i processi che rimaneggiano l’RNA messaggero della distrofina costringendo la produzione di una forma di RNA maturo, più stabile e che codifica una proteina quasi normale. Molecole un pò più complesse dell’Ataluren, come Risdiplam e Branaplam, sono in via di test nel trattamento della SMA. Altre molecole molto più recenti come Targarpremir-96 e Targarpremir-210 interferiscono con i micro-RNA tumorali pre-miRNA 96 e 210, esercitando effetti antitumorali.
Conclusioni
Lo splicing alternativo è un meccanismo complesso e multifunzionale che svolge un ruolo cruciale non solo nella generazione della diversità proteica, ma anche nella regolazione dell’espressione genica. Questo processo può influenzare la stabilità dell’mRNA, l’efficienza della traduzione e l’espressione genica complessiva, contribuendo in modo significativo alla regolazione della funzione cellulare e all’evoluzione della complessità biologica. Le implicazioni dello splicing alternativo per la salute umana sono enormi, con potenziali applicazioni terapeutiche che potrebbero rivoluzionare il trattamento di numerose malattie. Una comprensione approfondita di questo processo è quindi essenziale per l’avanzamento della conoscenza biologica e curativa.
- A cura del Dott. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.
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