Mappato un enzima fondamentale

Per la prima volta è stato “fotografato” e mappato l’RNA polimerasi III dell’uomo, un enzima fondamentale per la vita di tutte le cellule, le cui mutazioni possono provocare anche ipersensibilità ai virus e gravi conseguenze per la salute. Questo risultato è stato ottenuto da ricercatori dell’Institute of Cancer Research di Londra e dell’Università di Regensburg (Germania), guidati da Alessandro Vannini, oggi direttore del Centro di ricerca in Biologia strutturale dello Human Technopole.

Questa scoperta potrà avere importanti ricadute pratiche perché conoscere le mutazioni di questa molecola potrebbe consentire in futuro di sviluppare strumenti per contrastarne gli effetti negativi, come l’ipersensibilità ai virus, come ad esempio quello della varicella, ma anche alcuni disturbi dello sviluppo neurologico e alcuni tipi di tumore, in cui questa molecola è attiva in maniera “eccessiva”.

La ricerca è stata pubblicata oggi dalla prestigiosa rivista scientifica internazionale Nature Communications.

Lo studio dei ricercatori è la prima rappresentazione completa e ad alta risoluzione dell’RNA polimerasi III umana. Questa macromolecola rende possibile il trasferimento delle informazioni genetiche da DNA all’RNA nella maggior parte degli esseri viventi, dalle piante agli animali, all’uomo. Sino ad oggi l’RNA polimerasi era ampiamente conosciuta nelle sue caratteristiche di forma e funzione solo in un lievito (Saccharomyces cerevisiae) perché più semplice rispetto alla stessa molecola dell’uomo, di cui invece si sapeva molto poco.

I ricercatori sono riusciti a raggiungere questo risultato grazie alla criomicroscopia elettronica, una tecnologia che consente ai ricercatori di vedere sino quasi alla scala degli atomi e che è così avanzata e rivoluzionaria da aver fatto vincere ai suoi scopritori il premio Nobel per la chimica nel 2017.

Sottolinea Alessandro Vannini, direttore del Centro di Biologia strutturale dello Human Technopole: “Questo nuovo studio ci permette di individuare quali sono e dove si trovano quelle mutazioni che sono associate a numerose patologie. Negli ultimi anni un gran numero di mutazioni genetiche a carico della RNA Polimerasi III è stato individuato come responsabile di ipersensibilità alle infezioni virali e di alterazioni del corretto sviluppo del sistema nervoso centrale e quindi di gravi malattie neurodegenerative. Questo enzima è inoltre “iperattivo” in alcuni tipi di cancro. Conoscere quindi a dettagliata struttura di questo enzima potrà aiutare lo sviluppo di terapie che agiscano in modo mirato”.

Lo studio

I ricercatori sono riusciti a estrarre l’RNA polimerasi III da cellule dell’uomo grazie ad avanzati strumenti di ingegneria genetica, tra cui il CRISPR/Cas9, la tecnologia che è stata premiata proprio quest’anno con il Nobel per la chimica. Una volta isolata, questa macromolecola è stata “fotografata” grazie all’impiego della criomicroscopia elettronica. I ricercatori hanno così ottenuto la prima immagine ad alta risoluzione della sua struttura. Ciò ha consentito di mappare con alta precisione oltre l’85% delle sue mutazioni genetiche e studiare come queste ultime interagiscono a livello molecolare con le altre parti della struttura.

I ricercatori hanno osservato che le mutazioni che causano difetti dello sviluppo neurologico, come la leucodistrofia ipomielinizzante, la sindrome di Treacher-Collins o la sindrome di Wiedemann-Rautenstrauch (WRS), si raggruppano in punti centrali dell’enzima, che ne influenzano stabilità e biogenesi. Le alterazioni che influenzano l’ipersensibilità ai virus, invece, si trovano all’esterno in prossimità delle regioni con cui la molecola riconosce il DNA di origine virale.

RNA polimerasi

Affinchè l’informazione genetica contenuta in una molecola di DNA possa essere copiata fedelmente è necessario un particolare gruppo di tre enzimi, chiamati RNA polimerasi. E’ grazie a loro che può avvenire la trascrizione delle informazioni contenute nel DNA nell’RNA messaggero, che ha il compito di trasportarle in altre parti della cellula per attivare o regolare importanti funzioni come la produzione di proteine, indispensabili alla vita.

L’RNA polimerasi III è centrale nel determinare la crescita cellulare e della durata della vita tra gli eucarioti, cioè tutti quegli organismi viventi le cui cellule hanno un nucleo, dalle piante agli animali, fino all’uomo. In tutto il regno eucariotico, questa molecola mostra un alto grado di conservazione sia in termini di composizione delle sue parti sia di omologia nella sequenza dei singoli componenti. Una notevole eccezione è la subunità RPC5, che negli animali è differente e la cui funzione è attualmente sconosciuta. Il presente studio rivela che questa subunità è importante per il corretto assemblaggio dell’enzima, suggerendo un livello di regolazione più fine.

Il Centro di Biologia strutturale di Human Technopole

Il Centro è una delle cinque aree di ricerca, tra loro complementari e di grande rilevanza per la ricerca biomedica e sanitaria, su cui si concentrerà inizialmente Human Technopole. E’ guidato dal professor Alessandro Vannini. Il Centro mirerà ad acquisire una conoscenza precisa della struttura delle macromolecole, essenziale per capire il funzionamento delle cellule. Le attività sperimentali di genomica e neurogenomica di Human Technopole genereranno informazioni su molti nuovi geni e proteine, compresi target per il trattamento di malattie. In questo contesto, i biologi strutturali di Human Technopole cercheranno di caratterizzare le strutture 3D di questi bersagli per chiarire le loro funzioni e modalità di azione, nonché per sviluppare nuovi farmaci. La ricerca sperimentale sarà supportata da una struttura all’avanguardia per la microscopia crioelettronica per fornire una piattaforma di servizio per la determinazione della struttura molecolare ad alta risoluzione. Negli ultimi dieci anni, la microscopia crioelettronica (cryo-EM) è emersa come un potente strumento per studiare in dettaglio la struttura e la funzione delle macromolecole. Oggi Human Technopole si sta dotando di cinque di queste apparecchiature a formare una piattaforma tecnologica che risultera tra le più avanzate in Europa.

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Nature Communications, 17 dicembre 2020

Structure of human RNA Polymerase III

Ewan Phillip Ramsay (1,†), Guillermo Abascal-Palacios (1,†), Julia L. Daiß (2,†), Helen King (1), Jerome Gouge (1), Michael Pilsl (2), Fabienne Beuron (1), Edward Morris (1), Philip Gunkel (3), Christoph Engel (2,*) e Alessandro Vannini (1,4,*)

1. Division of Structural Biology, The Institute of Cancer Research, London SW7 3RP, United Kingdom.
2. Regensburg Center for Biochemistry, University of Regensburg, 93053 Regensburg, Germany
3. Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Research Group Nuclear Architecture, 37077 Göttingen, Germany
4. Fondazione Human Technopole, Structural Biology Research Centre, 20157 Milan, Italy

†Gli autori hanno contribuito parimenti al lavoro