La molecola dell’ acido ribonucleico, o RNA, ha un ruolo chiave nel trasformare le informazioni genetiche nelle proteine del nostro corpo. Questa molecola contiene le istruzioni genetiche di molti virus e potrebbe aver favorito l’inizio della vita sul nostro pianeta.
Cos’è l’RNA
RNA è l’abbreviazione di acido ribonucleico, e assieme al DNA, abbreviazione di acido desossiribonucleico, costituiscono gli acidi nucleici, una delle tre o quattro classi di principali di “macromolecole” considerate cruciali per la vita. RNA e DNA sono costituiti da subunità chiamate nucleotidi.
I due acidi nucleici si uniscono per creare proteine utilizzando le informazioni genetiche codificate dagli acidi nucleici. Questo è un processo cosi importante per la vita che i biologi lo definiscono “il dogma centrale” della biologia molecolare.
Questo dogma, che descrive il flusso di informazioni genetiche in un organismo, secondo l’ Oregon State University, afferma che le informazioni sul DNA vengono scritte, o “trascritte”, come informazioni sull’acido ribonucleico, e le informazioni sull’acido ribonucleico vengono “tradotte” in proteine.
“L’RNA, per dirla in modo semplice, è la biomolecola che collega il DNA e le proteine“, spiega Chuan He, un biologo dell’Università di Chicago che studia le modifiche dell‘acido ribonucleico.
La capacità dell’RNA e del DNA di memorizzare e copiare informazioni dipende dalle subunità nucleotidiche ripetute delle molecole.
I nucleotidi sono organizzati in sequenze specifiche, che possono essere lette come lettere in una parola. Ogni nucleotide ha tre parti principali: una molecola di zucchero, un gruppo fosfato e un composto ciclico chiamato nucleobase o base. Gli zuccheri di diverse unità nucleotidiche si collegano tramite ponti di fosfato per creare il polimero ripetuto di una molecola di acido ribonucleico o DNA, come una collana fatta di perle di zucchero collegate tra loro da fili di fosfato.
Le basi azotate attaccate agli zuccheri costituiscono la sequenza di informazioni necessarie per costruire proteine, come descritto dal National Human Genome Research Institute. RNA e DNA hanno ciascuno una serie di quattro basi: adenina, guanina, citosina e timina per il DNA, con l’uracile che sostituisce la timina nell’acido ribonucleico. Le quattro basi compongono gli alfabeti delle molecole e, come tali, sono indicate come lettere: A per adenina, G per guanina e così via.
Acido ribonucleico e acido desossiribonucleico oltre a codificare sequenze di lettere possono anche copiarle. Questo funziona perché le basi su una stringa di acido ribonucleico o acido desossiribonucleico possono attaccarsi alle basi su un’altra stringa, ma solo in un modo specifico. Le basi si collegano solo con partner “complementari”: da C a G e da A a U nell’acido ribonucleico (o da A a T nel caso del DNA). Quindi, il DNA serve come modello per trascrivere una molecola di RNA, che rispecchia la sequenza del DNA, codificandone una registrazione.
Un tipo di acido ribonucleico chiamato RNA messaggero (mRNA) utilizza questa funzione per trasportare i dati genetici dal DNA ai ribosomi, i componenti che producono proteine della cellula. I ribosomi “leggono” sequenze di mRNA per determinare l’ordine in cui le subunità proteiche (amminoacidi) devono unirsi a una molecola proteica in costruzione.
Altre due specie di acido ribonucleico completano il processo: Transfer RNA (tRNA) porta gli amminoacidi specificati dall’mRNA ai ribosomi, mentre l’RNA ribosomiale (rRNA), che costituisce la maggior parte di un ribosoma, collega gli amminoacidi insieme.
Gli scienziati considerano le attività dogmatiche dell’RNA una chiave per la definizione della molecola. Ma le idee su cosa sia l’acido ribonucleico e cosa possa fare si sono notevolmente ampliate dagli anni ’80, quando i biologi Sidney Altman e Thomas R. Cech scoprirono che l’acido ribonucleico può funzionare come una proteina (i ricercatori grazie alla loro scoperta hanno vinto il premio Nobel per la chimica nel 1989).
Le proteine sono componenti chiave per la maggior parte delle reazioni chimiche nel corpo, fungendo da enzimi, grazie in parte alla straordinaria varietà di forme o conformazioni che queste molecole presentano (gli enzimi sono proteine che facilitano e catalizzano le reazioni chimiche).
A differenza del DNA, l’acido ribonucleico può anche cambiare forma in una certa misura, e quindi può fungere da enzima a base di acido ribonucleico o ribozima. La maggiore flessibilità dell‘RNA sul DNA deriva in parte dall’ossigeno extra sullo zucchero ribosio dell‘acido ribonucleico, che rende la molecola meno stabile. Il “deossi” nel desossiribosio fa riferimento al deficit di 1 molecola di ossigeno del DNA.
Secondo alcuni ricercatori, la più importante attività catalitica basata sull’RNA avviene nel ribosoma, dove l’rRNA, un ribozima, media l’aggiunta di amminoacidi alle proteine in crescita. Altri ribozimi includono piccoli RNA nucleari (snRNA), che uniscono l’mRNA in forme utilizzabili, e M1 RNA , uno dei primi ribozimi conosciuti, che allo stesso modo aggancia il tRNA batterico.
In questi ultimi tre decenni, il numero di varietà di RNA conosciute è aumentato, quando i ricercatori hanno scoperto un certo numero di RNA che fanno qualcosa di completamente diverso: regolare i geni.
“C’è tutta una serie di RNA che svolgono ruoli regolatori critici”, influenzando quali geni vengono espressi e con quali velocità, spiega Merlin Crossley.
“Negli ultimi anni, poche aree della biologia sono state trasformate così a fondo come la biologia molecolare dell’RNA”, in gran parte a causa della scoperta di piccoli RNA regolatori. I più significativi sono gli RNA interferenti corti (siRNA), i microRNA (miRNA) e gli RNA che interagiscono con piwi (piRNA).
siRNA e miRNA “silenziano” i geni legandosi a sequenze complementari negli mRNA. Gli RNA regolatori attivano quindi complessi di proteine che possono tagliare l’mRNA o bloccarne la traduzione, come descritto in una revisione del 2010 pubblicata sulla rivista Current Genomics.
Gli siRNA prendono di mira il materiale genetico invasivo, come il DNA virale, mentre i miRNA regolano i geni di un organismo, secondo una recensione del 2009 pubblicata sulla rivista Cell. I piRNA eseguono un silenziamento simile, ma operano specificamente nelle cellule sessuali, prendendo di mira pezzi mobili di materiale genetico chiamati elementi “trasponibili” che possono mutare i geni, secondo una recensione del 2014 pubblicata sulla rivista Development.
Altri tipi di RNA regolatori includono gli RNA non codificanti lunghi più pesanti (lncRNA), che influenzano i geni associandosi a complessi di DNA e proteine chiamati cromatina, come descritto in una recensione del 2019 sulla rivista Noncoding RNA.
L’ncRNA può funzionare per attivare o inattivare sezioni di cromatina, che impacchetta il DNA in una forma compatta nella cellula, in modo che i geni in quella cromatina vengano espressi o inibiti.
Gli Enhancer RNA hanno l’effetto opposto a gran parte di quanto sopra, aumentando l’espressione di alcuni geni tramite meccanismi non ancora compresi, secondo una recensione del 2020 sulla rivista Frontiers in Cell and Developmental Biology.
Altri tipi di acido ribonucleico sono comparsi in altri organismi. Ad esempio, i batteri ospitano analoghi a miRNA e siRNA chiamati piccoli regolatori di RNA (sRNA). Anche parti del sistema CRISPR-Cas9 di modifica genetica che si trova nei batteri e negli archei si basano sull’RNA, che si lega alle cosiddette sequenze di DNA CRISPR che identificano gli invasori.
La versatilità dell’acido ribonucleico nella funzione e nella forma ha contribuito a ispirare l’idea nota come ipotesi del “mondo dell’RNA“.
Gli organismi si affidano a un sistema incredibilmente complicato di DNA, RNA e proteine per trasmettere informazioni ereditarie e gli scienziati si sono chiesti da tempo come questo sistema possa essere nato nelle prime forme di vita. L’acido ribonucleico offre una risposta logica: questa molecola può sia immagazzinare informazioni genetiche che catalizzare reazioni, suggerendo che i primi organismi semplici avrebbero potuto fare affidamento esclusivamente sull’acido ribonucleico.
Inoltre, la base di zucchero dell’acido ribonucleico, il ribosio, appare sempre per prima negli organismi, poiché è più facile da produrre. Il desossiribosio viene quindi creato dal ribosio. “Quindi questo implica che nella vita, prima hai il ribosio, l’RNA, e il DNA viene dopo”.
Da quell’inizio più semplice dell’acido ribonucleico, potrebbe sorgere una vita più complessa, evolvendo il DNA più stabile per fungere da libreria a lungo termine e sviluppando proteine come catalizzatore più efficiente.
Nel percorso dal DNA alla proteina, l’acido ribonucleico funge da intermediario, quindi perché non eliminare l’intermediario dell’acido ribonucleico e passare direttamente dal DNA alla proteina? Semplici forme di vita, come i virus a DNA, fanno proprio questo. Allo stesso modo, alcuni dei virus più temuti – l’HIV, il comune virus del raffreddore, l’influenza e il COVID-19 – nascondono tutte le loro informazioni genetiche nell’RNA, senza alcun predecessore del DNA.
Tuttavia, gli organismi più complessi devono regolare maggiormente i propri geni. Quindi, la maggior parte dei loro genomi non codifica per proteine ma codifica per parti del genoma che regolano altre sequenze. I promotori, ad esempio, possono attivare o disattivare i geni.
Spendere risorse cellulari su così tante sequenze che non codificano per le proteine umane necessarie “sarebbe un enorme spreco“. L’RNA consente di trascrivere solo i bit codificanti proteine della sequenza genetica nell’intermediario dell’mRNA.
Inoltre, l’mRNA fornisce un metodo per mettere a punto l’output di un gene. “RNA … è la fotocopia del DNA“, dice la RNA Society, un’organizzazione no profit che facilita la condivisione della ricerca sull’acido ribonucleico. “Quando la cellula ha bisogno di produrre una certa proteina, … produce più copie di quel pezzo di DNA sotto forma di RNA messaggero … Quindi, l’RNA espande la quantità di una data proteina che può essere prodotta contemporaneamente.“.
La capacità di amplificazione dell’acido ribonucleico è, ancora una volta, dovuta alla flessibilità della molecola. Poiché l’acido ribonucleico può assumere varie forme, può sfornare le conformazioni di mRNA e tRNA necessarie. Il DNA non può farlo.
Frontiere della ricerca
Non solo l’acido riboinucleico memorizza le informazioni genetiche per molti virus, ma aiuta gli scienziati a combattere quegli stessi invasori. I vaccini a base di RNA utilizzano l’mRNA iniettato per dire al corpo di una persona di produrre antigeni, le sostanze che attivano le risposte immunitarie, come ha scritto il biologo Alexis Hubaud per il blog della scuola di specializzazione dell’Università di Harvard.
“Questo è stato uno dei modi più popolari per lo sviluppo dei vaccini anti-COVID-19“, ha spiegato. I vaccini COVID-19 come quelli prodotti da Moderna e Pfizer utilizzano questo approccio.
Altre potenziali applicazioni terapeutiche dell’acido ribonucleico potrebbero utilizzare l’mRNA iniettato per dire al corpo di produrre una proteina funzionante in un paziente a cui mancano i geni per codificare quella proteina, come nelle persone con emofilia.
Una svolta nel giugno 2020 ha entusiasmato i ricercatori dell’RNA, come riferisce The Scientist. È stato dimostrato che l’eliminazione di una proteina legante l’RNA potrebbe trasformare altre cellule in neuroni, con importanti implicazioni per malattie come l’ Alzheimer. “Questo è eccitante perché fondamentalmente indica che l’RNA può avere effetti drammatici sul destino delle cellule“.
