Per decenni, vaste porzioni del nostro DNA sono state etichettate come DNA spazzatura, considerate semplici relitti di antichi virus che avevano invaso i genomi dei nostri antenati.
Questi segmenti, noti come elementi trasponibili (TE), erano stati a lungo liquidati come fossili evolutivi privi di qualsiasi funzione moderna. Tuttavia, una nuova ricerca internazionale sta rivoluzionando questa prospettiva, sfidando l’idea che l’antico DNA virale nel nostro genoma sia inutile.
MER11: un regolatore genetico silenzioso
Un team di ricercatori provenienti da Giappone, Cina, Canada e Stati Uniti ha concentrato la propria attenzione su una famiglia di DNA specifica denominata MER11. Queste sequenze, infatti, influenzano quando e dove i geni si attivano, con un’azione particolarmente rilevante durante le prime fasi dello sviluppo umano.
frammenti di DNA virale, inclusi quelli della famiglia MER11, fanno parte di un gruppo più ampio di elementi trasponibili che, nel corso di milioni di anni, si sono copiati in diversi punti del nostro genoma. Oggi, essi costituiscono quasi la metà del DNA umano. Un tempo ritenuti silenti, i transgeni sembrano ora agire come veri e propri interruttori che regolano i geni circostanti.
MER11 appartiene a una classe di TE nota come retrotrasposoni LTR ed è probabile che sia entrato nei genomi dei primati circa 40 milioni di anni fa. Mentre i TE più antichi sono stati oggetto di studi approfonditi, quelli più recenti, come MER11, sono rimasti meno caratterizzati a causa della loro natura ripetitiva.
Per comprenderli meglio, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo sistema di classificazione. Utilizzando la storia evolutiva e la conservazione nei primati, hanno suddiviso le sequenze in quattro sottogruppi: da MER11_G1 a MER11_G4, che vanno dal più antico al più recente. Questa classificazione apre nuove prospettive per lo studio di questi elementi genomici precedentemente sottovalutati.
DNA spazzatura: il ruolo di MER11
Un nuovo metodo di analisi sta svelando segreti regolatori finora nascosti nel cosiddetto DNA spazzatura, sfuggiti agli strumenti di annotazione tradizionali. I ricercatori hanno associato le sottofamiglie di MER11 a specifici marcatori epigenetici, tag chimici che modulano l’attività genica alterando il DNA o le proteine ad esso associate.
La sottofamiglia più recente, MER11_G4, ha dimostrato un notevole potenziale nell’attivazione genica. Attraverso il lentiMPRA (test lentivirale massivamente parallelo a reporter), sono state analizzate quasi 7000 sequenze di MER11. Questi esperimenti hanno rivelato che le sequenze MER11_G4 aumentano significativamente l’espressione genica nelle cellule staminali e nelle cellule neurali umane.
La sottofamiglia MER11 più giovane si distingue per la presenza di un set unico di siti di legame per i fattori di trascrizione. Questi motivi di DNA fungono da piattaforme di atterraggio per le proteine che controllano l’attività genica, rivelandosi cruciali per la capacità delle cellule di interpretare i segnali di sviluppo o ambientali.
Lo studio ha inoltre evidenziato che diversi primati, inclusi esseri umani, scimpanzé e macachi, presentano lievi variazioni nelle sequenze MER11_G4. Tali differenze potrebbero influenzare la regolazione genica tra le diverse specie. Il Dott. Xun Chen dell’Accademia Cinese delle Scienze ha spiegato che: “MER11_G4 si lega a un insieme distinto di fattori di trascrizione. Questo gruppo ha acquisito diverse funzioni regolatorie attraverso cambiamenti di sequenza e contribuisce alla speciazione“.
Il lavoro di ricerca ha aggiunto nuovi dettagli su come l’elemento MER11 del DNA spazzatura possa sostenere specifici stati delle cellule staminali. In particolare, il DNA spazzatura di MER11_G4 mostra un’attività elevata in cellule che mimano stadi precoci di sviluppo, come le cellule staminali pluripotenti e alcuni progenitori neurali. In contesti neurali, gli elementi MER11 sono stati collegati a geni coinvolti nello sviluppo cerebrale, mostrando una forte attività regolatoria nelle cellule staminali in transizione verso i neuroni. Queste funzioni suggeriscono che MER11 svolga un ruolo cruciale nella creazione di reti geniche durante lo sviluppo.
Una nuova comprensione del nostro genoma
I recenti studi stanno rivoluzionando la nostra percezione di quello che per anni è stato etichettato come DNA spazzatura, rivelando che le sequenze di DNA virale che hanno invaso il nostro genoma nel corso dell’evoluzione possono in realtà essere state adattate per funzioni vitali. Analizzando l’evoluzione di queste sequenze e testandone il comportamento, gli scienziati stanno scoprendo livelli di regolazione del genoma precedentemente ignorati.
Come ha sottolineato il dott. Fumitaka Inoue dell’Università di Kyoto, coautore dello studio: “Il nostro genoma è stato sequenziato molto tempo fa, ma la funzione di molte delle sue parti resta sconosciuta“. Si ritiene che gli elementi trasponibili (TE), un tempo considerati inerti, svolgano un ruolo significativo nell’evoluzione del genoma, e il loro impatto completo potrà essere svelato solo attraverso ricerche più approfondite.
Questa ricerca ridefinisce radicalmente la nostra comprensione del DNA spazzatura. Per lungo tempo, la comunità scientifica ha creduto che questi segmenti, in particolare quelli derivanti da antiche infezioni virali, fossero mere reliquie passive e prive di utilità all’interno del nostro genoma. Lo studio sulle sequenze di MER11 narra una storia ben diversa. Lungi dall’essere spettatori inattivi, queste sequenze virali sembrano ricoprire ruoli cruciali nella regolazione genica. Esse contribuiscono a determinare con precisione quando e dove specifici geni vengono espressi durante le fasi critiche dello sviluppo precoce.
Quello che un tempo era liquidato come un insieme di detriti inutili emerge ora come un vero e proprio kit di strumenti evolutivi, finemente perfezionato nel corso di milioni di anni. Questo kit ha plasmato la biologia degli esseri umani e di altri primati in modi che, seppur sottili, si sono rivelati essenziali.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science Advances.
