Francis Crick formulò il “dogma centrale della biologia molecolare”, principio secondo il quale il flusso dell'informazione genetica sarebbe unidirezionale. Contenuta nella sequenza del DNA, tale informazione viene infatti dapprima trascritta in molecole di RNA; una specifica classe di questo RNA, chiamato RNA messaggero o mRNA, viene poi tradotta in proteine, cioè nei mattoni strutturali e funzionali delle cellule. La regolazione dei livelli di espressione delle proteine è quindi un processo fondamentale per lo sviluppo e la funzione cellulare.
Come spesso accade, ogni importante scoperta solleva maggiori interrogativi di quanti ha contribuito a risolvere e apre nuove aree di investigazione. Identificare i meccanismi molecolari alla base dell’espressione genica, infatti, porterebbe a comprendere come da una cellula indifferenziata (cellula uovo) si possano originare più di 150 trilioni di cellule di un individuo, raggruppabili in circa 200 tipi cellulari differenti. Inoltre, comprenderemmo come una cellula riesca a mantenere le proprie caratteristiche di forma e di funzionalità una volta acquisite. Nella forma è implicita la funzione stessa e ogni differenza di funzione è un risultato di una differenza di struttura.
Le cellule utilizzano diversi meccanismi di controllo dell'espressione genica: regolazione della trascrizione e della traduzione dell'mRNA, regolazione della stabilità dell’RNA stesso. Infine, avvengono modifiche a carico delle proteine (modifiche post-traduzionali) che ne modulano l’attività. In tal modo, proteine prodotte dallo stesso mRNA manifestano proprietà differenti in base al tipo di modifiche subite.
Oltre ai suddetti meccanismi di controllo, il trasporto di RNA si sta rilevando un processo importante per inviare messaggeri - e quindi
proteine - in specifici domini subcellulari, controllando cosí anche spazialmente l'espressione dei geni all'interno delle cellule. Il trasporto di mRNA è stato studiato inizialmente nella Drosophila melanogaster o moscerino della frutta. Questo insetto, croce delle nostre cucine, è però la delizia sperimentale dei biologi e costituisce uno dei modelli più utilizzati soprattutto in genetica. Studi degli ultimi anni hanno dimostrato che le proteine presenti nel macchinario di trasporto dell’mRNA esistono nella Drosophila, nel lievito e perfino nell’uomo. Nei neuroni, specifici mRNA vengono trasportati ad esempio nei dendriti, le strutture deputate a ricevere contatti (sinapsi) e quindi informazioni da altri neuroni. Una volta localizzati nei dendriti essi producono, a seguito di stimolazioni, proteine le quali costruiscono o modificano selettivamente una o più sinapsi.
Una caratteristica fondamentale del trasporto dell’mRNA è che la localizzazione deve precedere la traduzione, cosí da impedire di produrre proteina da un mRNA prima che questo raggiunga la sua corretta destinazione. Per questo motivo, esistono molecole che legandosi all’RNA lo mantengono silente (silenced) impedendone la traduzione durante il trasporto.
Come avviene questo controllo traduzionale? Quali molecole associate all’RNA sono coinvolte? Quale conseguenza ha sullo sviluppo cellulare un alterato silenziamento traduzionale durante il trasporto? Un candidato per questo ruolo di controllore è il repressore traduzionale Pumilio (Pum), una proteina che legandosi all’RNA lo mantiene silente per la traduzione. I mammiferi esprimono due proteine Pum differenti, chiamate Pum1 e Pum2.
Nel nostro laboratorio siamo interessati allo studio dei fattori molecolari coinvolti nel trasporto dell’mRNA. Ultimamente ci siamo focalizzati proprio sullo studio di Pumilio ed in particolare sul ruolo funzionale di Pum2 nei neuroni dove forma complessi discreti (o particles) con l’mRNA che localizzano sia nel corpo cellulare che nel compartimento dendritico.
Abbiamo fornito le prove sperimentali del ruolo biologico di Pum2 nello sviluppo dell’arborizzazione dendritica e delle sinapsi. Variazioni nei livelli di espressione di Pum2 durante la fase di sviluppo della cellula nervosa, infatti, alterano lo sviluppo dei processi dendritici. Ad esempio, i neuroni che esprimono alti livelli di Pum2 mostrano un albero dendritico molto semplificato. Pum2 svolge un ruolo importante anche durante le fasi successive dello sviluppo della cellula nervosa, quando cioè essa ha già acquisito la sua forma caratteristica ed inizia a stabilire contatti con altri neuroni. Durante questa fase di sviluppo chiamata sinaptogenesi, Pum2 regola la morfologia e la funzionalità delle sinapsi stesse: modificando la struttura si altera la funzionalità della cellula nervosa. Infine, abbiamo dimostrato che mRNA specifici sono importanti per la funzione neuronale se associati a Pum2. Nel loro insieme, i nostri dati mostrano un importante ruolo dei meccanismi d’inibizione traduzionale per lo sviluppo e la funzionalità dei neuroni. Le osservazioni pubblicate sono state possibili grazie all’utilizzo di approcci di biologia molecolare, cellulare e analisi elettrofisiologiche, a riprova della grande multidisciplinarità che caratterizza la ricerca nel campo biologico. A ciò si uniscono collaborazioni con gruppi di ricerca sia italiani di Trento e Firenze sia stranieri.
Il termine silencing è d’uso comune in biologia. L’inibizione, al pari dell’attivazione, svolge un ruolo decisivo nei processi biologici. Mi sovvengono le ultime parole pronunciate dal principe di Danimarca Amleto all’amico Orazio: “the rest is silence”, frase resa oggetto di svariate interpretazioni e domande esistenziali. A queste domande - come il celeberrimo “To be or not to be” - non vi è forse risposta. I meccanismi molecolari alla base del trasporto di RNA e della loro traduzione sono ancora poco conosciuti nonostante l'identificazione di alcune molecole coinvolte. Tuttavia, mentre il dilemma amletico continuerà ad esistere per molto tempo, un futuro più ottimistico attende alcune delle domande ancora aperte della biologia, o almeno lo speriamo.