Piccole ma potenti: minuscole proteine con grandi ruoli in biologia

Piccole ma potenti: minuscole proteine con grandi ruoli in biologia

Gli scienziati del Salk scoprono una piccola proteina importante per la pulizia cellulare

LA JOLLA—Sappiamo tutti quanto sia difficile trovare qualcosa di piccolo, come una lente a contatto caduta, che si confonda con lo sfondo. Altrettanto difficile per i biologi è individuare minuscole proteine nel complesso contesto della cellula. Ma, sempre più spesso, gli scienziati stanno scoprendo che queste microproteine, trascurate dai metodi di rilevamento tradizionali, svolgono anche importanti ruoli biologici.

Utilizzando una nuova strategia di rilevamento delle microproteine, gli scienziati del Salk hanno scoperto una microproteina umana coinvolta in uno dei compiti fondamentali di pulizia delle cellule: eliminare il materiale genetico non più necessario. La nuova molecola potrebbe fornire una migliore comprensione di come i livelli dei geni, compresi quelli delle malattie, siano controllati nella cellula.

"Nonostante quanto sappiamo sul genoma umano, ci sono ancora punti ciechi negli algoritmi di scoperta del genoma", afferma Alan Saghatelian, professore al Salk e uno degli autori principali dell'articolo che appare nel numero del 5 dicembre 2016 di Biologia chimica della natura"È possibile sequenziare l'intero genoma umano senza mai sapere che una proteina, come questa, era lì perché è troppo corta e non rientra nei requisiti di lunghezza usuali per gli algoritmi di assegnazione dei geni."

Nelle cellule, il DNA di un gene viene trascritto in mRNA, che poi guida la produzione di proteine specifiche. Dopo aver creato la proteina necessaria, il modello di RNA viene riciclato per interromperne la produzione. Sebbene questo processo sia cruciale per le cellule sane, nessuno era a conoscenza di una microproteina critica in questo processo, chiamata NoBody (acronimo di Non-Annotated P-body Dissociating Polypeptide).

Il ricercatore Saghatelian e Salk Jiao Ma, insieme alla co-autrice senior Sarah Slavoff e alla prima autrice Nadia D'Lima, entrambe della Yale University, hanno deciso di studiare NoBody perché la sua sequenza è conservata nel corso dell'evoluzione, suggerendo che abbia una funzione critica nella biologia umana. I loro esperimenti hanno dimostrato che NoBody interagisce con proteine coinvolte nel processo di riciclo dell'mRNA, note per formare granuli P-body, gruppi di mRNA e proteine che svolgono il primo passaggio nella scomposizione degli mRNA. Il team ha scoperto che l'introduzione di NoBody in queste cellule ha causato la scomparsa di questi granuli P-body e che le variazioni dei livelli di NoBody all'interno delle cellule possono disturbare il percorso di riciclo dell'RNA, evidenziando una funzione biochimica per NoBody e un potenziale bersaglio per future terapie correlate alla disfunzione dell'RNA.

Parte del motivo per cui questa molecola è stata trascurata per così tanto tempo, secondo Saghatelian, è che nessuno sapeva dell'esistenza di NoBody. Inoltre, nessuno cercava microproteine perché non era chiaro se qualche microproteina avesse funzioni importanti. "La scoperta di NoBody e della sua funzione nel riciclo dell'mRNA suggerisce che almeno alcune delle centinaia di altre microproteine che abbiamo trovato potrebbero essere funzionali, il che è una proposta entusiasmante", afferma.

Slavoff aggiunge: "Il fatto che NoBody sia stato presente in questo complesso di proteine intensamente studiato per tutto questo tempo, ma sia completamente sfuggito alla nostra attenzione, dimostra chiaramente quante altre microproteine attualmente sconosciute potrebbero essere associate a meccanismi cellulari essenziali".

Per aggirare i problemi di rilevamento e scoprire quali piccole microproteine potrebbero essere trascurate, gli autori dell'articolo hanno combinato il sequenziamento genomico e la spettrometria di massa proteica (proteomica) per prevedere e identificare le microproteine non annotate. Il team ha iniziato isolando il contenuto delle cellule dalla linea cellulare di leucemia mieloide comunemente studiata e rimuovendo le proteine più grandi per lasciare solo quelle più piccole. Hanno quindi utilizzato una tecnica di chimica analitica chiamata proteomica con cromatografia liquida e spettroscopia di massa per determinare le sequenze amminoacidiche di ogni proteina, comprese le microproteine, presenti nel campione.

Per capire a quali geni corrispondessero, il team ha utilizzato un metodo computazionale artigianale per predire ogni possibile microproteina dal contenuto totale di mRNA di una cellula mieloide, che hanno sequenziato utilizzando tecniche genomiche. Questo database personalizzato è stato poi utilizzato per ricercare nuove microproteine nei dati proteomici, portando alla scoperta di oltre 400 nuove microproteine, tra cui NoBody.

"Abbiamo previsto milioni di sequenze proteiche teoriche dai dati genomici, ma la chiave era determinare quali di queste sequenze previste fossero reali utilizzando i dati della spettrometria di massa", afferma Ma, che ha guidato questo progetto nel laboratorio Saghatelian.

Il gruppo ritiene che NoBody possa segnalare altre importanti microproteine potenzialmente coinvolte nelle patologie. I granuli proteici sono presenti in molti processi biologici e sono di particolare rilevanza nelle malattie neurologiche, dove le proteine si aggregano e si aggregano, come nelle placche amiloidi associate al morbo di Alzheimer.

"Sebbene NoBody non sia direttamente coinvolto nel morbo di Alzheimer o in altre patologie, questa scoperta suggerisce che altre microproteine potrebbero esserlo", aggiunge Saghatelian, che è anche titolare della cattedra Dr. Frederik Paulsen. "La ricerca e la caratterizzazione di queste altre microproteine in biologia e patologia rappresentano una frontiera entusiasmante della biologia molecolare".

Altri autori del documento includevano Qian Chu del Salk Institute, Lauren Winkler di Università di Yale, Ken H. Loh del MIT, Elizabeth O. Corpuz e Jens Lykke-Anderson del University of California, San Diego, e Bogdan A. Budnik di Università di Harvard.

Il lavoro è stato finanziato da una borsa di studio post-dottorato della George E. Hewitt Foundation for Medical Research, NIH, The Leona M. e Harry B. Helmsley Charitable Trust borsa di studio e presidente del Dr. Frederik Paulsen/Ferring Pharmaceuticals.