l’Immagine di una piastra di agar striato con 16 diversi ceppi di Escherichia coli, ciascuna contenente una proteina fluorescente verde con un altro codone di inizio (con annotazioni lungo il bordo della piastra). I 16 codoni corrispondono ai 16 codoni più forti che esprimono., L’immagine è un composto di due immagini superimposte da uno scanner laser.
Per decenni, gli scienziati che lavorano con materiale genetico hanno lavorato con alcune regole di base in mente. Per iniziare, il DNA viene trascritto in RNA messaggero (mRNA) e l’mRNA viene tradotto in proteine, che sono essenziali per quasi tutte le funzioni biologiche. Un principio centrale per quanto riguarda la traduzione ha a lungo sostenuto che solo un piccolo numero di sequenze di tre lettere in mRNA, noto come codoni di avvio, potrebbe innescare la produzione di proteine., Ma i ricercatori potrebbero aver bisogno di rivedere ed eventualmente riscrivere questa regola, dopo le recenti misurazioni da un team che comprende scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST).
I risultati, che saranno pubblicati il 21 febbraio 2017, sulla rivista Nucleic Acids Research dagli scienziati in una collaborazione di ricerca tra NIST e Stanford University, dimostrano che ci sono almeno 47 possibili codoni di avvio, ognuno dei quali può istruire una cellula per iniziare la sintesi proteica. In precedenza si pensava che solo sette dei 64 possibili codoni a tripletta innescassero la sintesi proteica.,
” Potrebbe essere che molti potenziali codoni di avvio fossero rimasti da scoprire perché nessuno poteva vederli”, ha detto l’autore principale Ariel Hecht, membro del team della Joint Initiative for Metrology in Biology (JIMB), una collaborazione di ricerca che include NIST e Stanford.
Gli scienziati hanno fatto molte delle loro scoperte iniziali sul DNA e l’RNA, compresi i codoni di avvio, negli anni 1950 e 1960. Queste idee da allora sono state sancite nei libri di testo di tutto il mondo come la moderna comprensione delle regole della biologia molecolare.,
Il codice genetico è tipicamente rappresentato tramite sequenze di quattro lettere-A, C, G e T o U—che corrispondono alle unità molecolari note come adenina, citosina, guanina e timina (per il codice del DNA) o uracile (per il codice dell’RNA). Cinquant’anni fa, i migliori strumenti di ricerca disponibili indicavano che c’erano solo pochi codoni di avvio (con sequenze di AUG, GUG e UUG) nella maggior parte degli esseri viventi. I codoni di avvio sono importanti da capire perché segnano l’inizio di una ricetta per tradurre l’RNA in stringhe specifiche di amminoacidi (cioè proteine).,
La realizzazione del team JIMB che potrebbe esserci qualcosa di sbagliato nella comprensione generale di come i codoni si esibiscono è iniziata inaspettatamente su un giro di bagel e caffè. Hecht ei suoi colleghi Jeff Glasgow, Lukmaan Bawazer e Matt Munson stavano discutendo l’esperimento del collega Paul Jaschke in cui aveva sostituito i codoni iniziali di diversi geni di un virus PhiX174 con codoni che non avrebbero dovuto iniziare la traduzione (AUA e ACG). Tuttavia, con sorpresa di Jaschke, stava ancora rilevando l’espressione di quei geni che avrebbero dovuto essere messi a tacere a causa della rimozione dei loro codoni iniziali.,
Hecht e colleghi, insieme a Jaschke, hanno perseguito quella che sembrava una domanda piuttosto ingenua: e se i risultati indicassero che i codoni non si adattavano a una descrizione tradizionale di start o no, ma invece avevano diverse probabilità di iniziare la traduzione?, Al meglio delle loro conoscenze, nessuno aveva mai esplorato sistematicamente se la traduzione potesse essere avviata da tutti i 64 codoni. Nessuno aveva mai dimostrato che non si può iniziare la traduzione da qualsiasi codone.
” Ci siamo chiesti tutti insieme: qualcuno ha mai guardato?”disse Hecht. Un’ulteriore revisione della letteratura disponibile sull’argomento ha indicato che la risposta era no.,
A differenza dei genetisti che lavorano mezzo secolo fa, il team JIMB e altri che scrutano il funzionamento interno delle cellule ora hanno strumenti molto più potenti a loro disposizione, tra cui green fluorescent protein (GFP), una proteina adattata dalle meduse e nanoluciferasi, un’altra proteina adattata da un gambero di mare profondo. Sia la GFP che la nanoluciferasi emettono luce quando sono espresse all’interno delle cellule e sono state ottimizzate negli ultimi dieci anni per produrre segnali molto forti che possono essere utilizzati per sondare le cellule in profondità.
“Dieci anni fa gli strumenti per fare questo tipo di misurazione non esistevano”, ha detto Hecht.,
Il NIST è specializzato nel processo di misurazione di precisione e la start codon challenge si è rivelata irresistibile per il team JIMB. La collaborazione è stata costituita in 2016 con l’obiettivo di far progredire la scienza della biomisurazione e facilitare il processo di scoperta riunendo esperti del mondo accademico, laboratori governativi e dell’industria per indagini scientifiche collettive.
Con l’uso di GFP e nanoluciferasi, il team ha misurato l’inizio della traduzione nei batteri E. coli da tutti i 64 codoni. Sono stati in grado di rilevare l’inizio della sintesi proteica da 47 codoni.,
Le implicazioni del lavoro potrebbero essere abbastanza profonde per la nostra comprensione della biologia.
” Vogliamo sapere tutto ciò che accade all’interno delle cellule in modo da poter comprendere appieno la vita su scala molecolare e avere una migliore possibilità di collaborare con la biologia per prosperare insieme”, ha detto il professore di Stanford e collega e consulente di JIMB, Drew Endy. “Pensavamo di conoscere le regole, ma si scopre che c’è un altro livello che dobbiamo conoscere. La grammatica del DNA potrebbe essere ancora più sofisticata di quanto immaginassimo.,”
Ancora, il team di JIMB avverte, questo documento è in realtà solo il primo passo, e non è chiaro quali studi di altri organismi riveleranno.
” Dobbiamo essere molto attenti a estrapolare da questi risultati o applicarli ad altri organismi senza ulteriori ricerche più approfondite”, ha affermato Hecht. Spera che questo documento incoraggi o ispiri altri ricercatori ad esplorare l’argomento per trovare ancora più risposte.
“Potrebbe essere che tutti i codoni possano essere codoni di avvio”, ha detto Hecht. “Penso che sia solo una questione di essere in grado di misurarli al giusto livello.,”
Carta: Ariel Hecht, Jeff Glasgow, Paul Jaschke, Lukmaan Bawazer, et al. Misure di inizio di traduzione da tutti i 64 codoni in E. coli. Acidi nucleici Res. gkx070. Pubblicato online il 21 febbraio 2017. DOI: 10.1093/nar / gkx070.