Geni e cromosomi 3: geni, proteine e mutazioni

Introduzione

Il modello per costruire e far funzionare il corpo umano è memorizzato in sequenze di acido desossiribonucleico (DNA) chiamate geni. Questa informazione genetica è usata per fare proteine con diverse funzioni, dalle proteine strutturali essenziali per costruire muscoli, ossa e pelle agli enzimi che catalizzano le reazioni biochimiche essenziali per la sopravvivenza del corpo. Errori nel codice genetico umano, chiamati mutazioni, a volte portano alla produzione di proteine anormali che possono causare malattie, comprese quelle autoimmuni e maligne.

Proteine

Le proteine sono essenziali sia per il tessuto che per la funzione del corpo umano. Queste macromolecole complesse sono costruite da blocchi chiamati aminoacidi, semplici composti organici contenenti un gruppo carbossilico (-COOH) e uno amminico (-NH2). Ci sono 20 aminoacidi presenti in natura (Box 1); altre varianti possono essere prodotte sinteticamente in laboratorio.

Aminoacidi

Per funzionare in modo efficiente, le cellule umane hanno bisogno di costruire continuamente nuove proteine per sostituire quelle vecchie e danneggiate. Questo richiede un rifornimento costante di tutti i 20 aminoacidi. Durante la digestione, il tratto gastrointestinale scompone sequenzialmente le grandi proteine animali e vegetali contenute nel cibo in polipeptidi, peptidi e infine in aminoacidi “liberi” che sono in grado di attraversare la parete intestinale per essere assorbiti nel flusso sanguigno (VanPutte et al, 2017).

Gli aminoacidi naturali (Box 1) sono divisi in due categorie:

• Essenziali – i nove aminoacidi che le cellule umane non possono sintetizzare e quindi devono ottenere direttamente dal cibo;
• Non-essenziali – gli 11 aminoacidi che le cellule umane possono sintetizzare se la fornitura diretta attraverso la dieta è bassa.

Questa terminologia può confondere, in quanto i cosiddetti aminoacidi non essenziali sono in realtà essenziali per la costruzione delle proteine; il termine è semplicemente usato per denotare il fatto che non devono essere ottenuti con la dieta.

Se viene mantenuta una nutrizione adeguata attraverso una dieta sana ed equilibrata, le cellule ricevono gli aminoacidi necessari per il ricambio delle proteine. Tuttavia, la cattiva alimentazione, i disturbi alimentari, alcuni farmaci e il processo di invecchiamento (che può ridurre l’appetito) possono limitare la disponibilità alimentare di aminoacidi, in particolare i nove essenziali. Questo compromette la capacità dell’organismo di sostituire le proteine, causando potenzialmente perdite muscolari e malattie.

Varietà di proteine

Le proteine formano il più grande componente organico del corpo umano, costituendo circa il 50% della massa secca di una tipica cellula umana (Radivojac, 2013). Vengono sintetizzate nel citoplasma delle cellule, dove gli aminoacidi sono legati insieme da legami peptidici per formare lunghe catene ramificate che vanno da pochi aminoacidi a migliaia. Queste catene di aminoacidi si piegano o si attorcigliano ulteriormente nelle configurazioni tridimensionali uniche che devono adottare per svolgere i loro ruoli designati nel corpo (VanPutte et al, 2017).

La più grande proteina attualmente conosciuta nel corpo umano è una proteina muscolare chiamata titina (o connectina), che consiste di circa 33.000 aminoacidi. Funziona come una molla molecolare e si pensa che contribuisca alla forza della contrazione muscolare (Powers et al, 2014).

Il progetto genoma umano ha dimostrato che gli esseri umani hanno poco meno di 20.000 geni strutturali che codificano per singole proteine. Tuttavia, ogni gene può dare origine fino a 100 varianti della proteina che codifica, quindi nel corpo umano possono essere presenti fino a due milioni di varietà diverse di proteine (Ponomarenko et al, 2016).

Esempi di proteine comuni includono:

• Actina e miosina – proteine contrattili che si trovano nei muscoli;
• Ceratina – una proteina densa che si trova nei capelli, nelle unghie e nell’epidermide della pelle;
• Collagene – una proteina strutturale di uso generale (usata, ad esempio, per costruire un’ossatura di cartilagine e ossa) che può esistere in varie forme fibrose;
• Ormoni proteici come l’insulina o il glucagone – di solito in brevi catene chiamate peptidi, questi circolano nel sangue e agiscono come messaggeri chimici;
• Enzimi digestivi catabolici come la pepsina, la tripsina e l’amilasi – questi aiutano a digerire e a scomporre le macromolecole alimentari in componenti semplici che il corpo può assorbire;
• Enzimi anabolici come la DNA polimerasi, l’acido ribonucleico (RNA) polimerasi e la glicogeno sintasi – coinvolti nella costruzione di molecole di DNA, RNA e glicogeno (amido animale);
• Emoglobina – coinvolta nel trasporto di ossigeno e anidride carbonica nei globuli rossi (eritrociti);
• Anticorpi, spesso chiamati immunoglobuline – piccole proteine a forma di Y che giocano un ruolo cruciale nel sistema immunitario, legandosi a materiale estraneo, etichettandolo così per la distruzione;
• Neurotrasmettitori – piccole proteine che lavorano come messaggeri chimici nel sistema nervoso (per esempio, la sostanza P);
• Ricettori degli neurotrasmettitori – questi (per esempio, il recettore dell’acetilcolina) ricevono messaggi dai neurotrasmettitori.

Ribosomi

Le proteine sono sintetizzate nelle cellule dai ribosomi, piccoli organelli densamente disposti e incorporati nel reticolo endoplasmatico (ER) del citoplasma. L’ER è un sistema di membrane interconnesse appiattite e la maggior parte della sua superficie è coperta dai ribosomi, dandogli un aspetto ruvido e irregolare che ha portato la regione ad essere conosciuta come ER ruvido. Qui i ribosomi “traducono” il codice genetico assemblando amminoacidi per creare proteine (Lewis, 2018).

I ribosomi sono per lo più composti da una forma specializzata di RNA chiamata RNA ribosomiale (rRNA), che è stabilizzata da piccole quantità di proteine che aiutano anche ad assemblare i ribosomi stessi (De la Cruz et al, 2015). In una singola cellula umana, migliaia di ribosomi possono essere attivamente costruendo proteine in qualsiasi momento.

Dai geni alle proteine

I geni strutturali contengono sequenze di DNA che determinano le sequenze di amminoacidi nelle proteine. I geni di controllo (o regolatori) controllano quali geni strutturali sono espressi (“accesi”) in un dato tessuto.

Utilizzare l’informazione genetica contenuta nel DNA per costruire le proteine comporta alcune fasi distinte:

• Trascrizione;
• Modifiche post-trascrizionali;
• Traslazione;
• Modifiche post-traslazionali.

Trascrizione

L’informazione genetica immagazzinata nel nucleo di una cellula deve essere consegnata ai ribosomi nel citoplasma. All’interno del nucleo delle cellule, il DNA esiste sotto forma di enormi doppie eliche. Le molecole di DNA sono troppo grandi per essere trasmesse direttamente ai ribosomi, quindi l’informazione genetica immagazzinata nel DNA deve essere copiata su un mezzo più piccolo e mobile – questo processo si chiama trascrizione.

Durante la trascrizione, una sequenza genica che codifica per una proteina viene copiata dal DNA a doppio filamento su RNA a filamento singolo (Fig 1). Le molecole di RNA a singolo filamento sono molto più piccole delle molecole di DNA e possono quindi viaggiare attraverso i piccoli pori della membrana nucleare. Il ruolo della molecola di RNA sarà quello di fornire istruzioni per la costruzione di proteine a un ribosoma. Poiché questa forma di RNA trasporta le informazioni dal nucleo al citoplasma, è chiamata RNA messaggero (mRNA).

Come il DNA, l’RNA è costruito da basi nucleotidiche, ma a differenza del DNA non ha la base timina. Nell’RNA, la timina è sostituita da un’altra base nucleotidica chiamata uracile. Le regole di accoppiamento delle basi nella trascrizione differiscono leggermente, quindi, dalle regole di accoppiamento delle basi nella replicazione del DNA (Box 2).

Il processo di trascrizione del DNA è molto simile a quello della replicazione del DNA (vedi parte 2) e comporta le seguenti fasi:

• L’enzima RNA polimerasi si lega all’inizio della sequenza genica del DNA (chiamata anche sequenza promotrice);
• L’RNA polimerasi srotola una piccola porzione della doppia elica del DNA per renderla a singolo filamento (un processo spesso descritto come analogo allo scioglimento di una zip) – la piccola area di DNA a singolo filamento srotolato è chiamata bolla di trascrizione (VanPutte et al, 2017);
• Solo uno dei filamenti di DNA esposti contiene informazioni utili per la costruzione di una proteina – quel filamento viene utilizzato come modello per la trascrizione;
• L’RNA polimerasi sintetizza un filamento di mRNA complementare utilizzando le regole di accoppiamento delle basi di trascrizione.

Il riquadro 3 mostra un esempio di trascrizione.

Modifiche post-trascrizionali

Non tutte le informazioni codificate nei filamenti di mRNA sono utili per costruire una proteina. Un filamento di RNA appena trascritto consiste di due elementi:

• Esoni – sequenze di informazioni essenziali per costruire una proteina che abbia la corretta sequenza di amminoacidi;
• Introni – sequenze che interrompono le sequenze di codifica degli esoni e di solito non contengono informazioni utili per costruire una proteina. Una volta considerate sequenze spazzatura, si pensa ora che gli introni abbiano un ruolo nella regolazione dell’espressione genica (Chorev e Carmel, 2012).

Gli introni devono essere tagliati e gli esoni splicerati insieme per formare una sequenza contigua di mRNA ‘ad alta fedeltà’: questo taglio e splicing – chiamato modifica post-trascrizionale – è fatto da enzimi nel nucleo. Il processo è mostrato nella Fig. 2.

Natura del codice genetico

Il codice genetico è una tripletta di tre basi azotate che codifica per un aminoacido. Poiché ci sono 20 aminoacidi in natura, tre basi permettono che ogni aminoacido sia rappresentato da una tripletta di codice (e alcuni sono rappresentati più di una volta). Il codice di tripletta permette anche di codificare le istruzioni ‘start-and-stop’ nel filamento di mRNA, così i ribosomi sanno quando iniziare e quando terminare la costruzione di una proteina.

Ogni serie di tre basi (codice di tripletta) su un filamento di mRNA è chiamata codone. Il primo codone su qualsiasi filamento di mRNA è sempre il codone di ‘inizio’ – chiamato AUG – che indica al ribosoma di iniziare la sintesi proteica. Poiché AUG codifica anche per l’aminoacido metionina, la metionina è il primo aminoacido incorporato in una proteina – se non è effettivamente necessario, sarà rimosso più tardi (Xiao et al, 2010).

Gli aminoacidi stessi sono consegnati ai ribosomi da molecole di RNA di trasferimento (tRNA). Ad ogni amminoacido corrisponde un’unica molecola di tRNA e ogni molecola di tRNA ha il suo codice unico di tripletta, che corrisponde a un codone sul filamento di mRNA. Queste sequenze di tRNA completano i codoni dell’mRNA e sono quindi chiamate anticodoni (VanPutte et al, 2017).

Traslazione

Dopo la trascrizione e la modifica post-trascrizionale, si genera una sequenza matura e ininterrotta di mRNA. Entrando nel citoplasma, questa sequenza si attacca a un ribosoma e può essere utilizzata per la sintesi proteica in un processo chiamato traduzione.

La traduzione dell’mRNA (Fig 3) avviene in una serie di fasi:

• Un filamento di mRNA maturo si attacca a un ribosoma;
• Tre basi sul filamento di mRNA (codone) sono esposte sul ribosoma – per esempio, AUG (il codone ‘start’ che codifica anche per la metionina);
• Una molecola di tRNA arriva al ribosoma, allinea il suo anticodone al codone sul filamento dell’mRNA e fornisce l’amminoacido corrispondente – per esempio, per il codone “start” AUG, il corrispondente anticodone UAC fornisce la metionina;
• Il filamento di mRNA si sposta lungo il ribosoma di tre basi, esponendo il codone successivo, poi arriva la molecola di tRNA successiva con il suo anticodone complementare e fornisce un altro amminoacido;
• Si formano legami peptidici tra ogni amminoacido adiacente e inizia a formarsi una catena proteica;
• Il filamento di mRNA continua ad avanzare lungo il ribosoma di tre basi alla volta, esponendo ogni codone a turno. Le molecole di tRNA con gli anticodoni corrispondenti continuano a fornire amminoacidi, i legami peptidici continuano a formarsi e la catena proteica continua ad allungarsi;
• Finalmente, un codone ‘stop’ (UAA, UAG o UGA) viene raggiunto alla fine del filamento di mRNA e la sintesi proteica si ferma – il processo di traduzione del DNA ha creato una proteina grezza.

Modifiche post-traslazionali

La proteina grezza di solito ha bisogno di essere modificata prima di poter adottare la sua configurazione 3D finale e iniziare a svolgere la sua funzione nel corpo. Queste modifiche avvengono nel citoplasma in un organello chiamato apparato di Golgi (noto anche come corpo di Golgi o semplicemente Golgi), che è spesso descritto come “area di imballaggio ed esportazione” della cellula.

Le proteine subiscono modifiche post-traslazionali come segue:

• La versione grezza della proteina viene impacchettata in una piccola sacca legata alla membrana, la vescicola di trasferimento;
• la vescicola di trasferimento lascia l’ER ruvido e migra verso l’apparato di Golgi;
• Nell’apparato di Golgi, la proteina grezza viene raffinata, il che spesso comporta l’aggiunta di residui di zucchero alla catena di amminoacidi tramite glicosilazione (Huang e Wang, 2017) – molte proteine nel corpo umano sono in realtà glicoproteine (proteine con aggiunta di zucchero);
• La proteina raffinata lascia l’apparato di Golgi e viene utilizzata nella cellula o impacchettata in una vescicola secretoria per essere esportata;
• Le proteine destinate ad essere esportate vengono scaricate dalla cellula quando la loro vescicola secretoria si fonde con la membrana plasmatica.

Le proteine esportate possono essere utilizzate localmente in un tessuto o trasportate in regioni lontane del corpo dal sangue. Per esempio, l’ormone insulina, sintetizzato nelle cellule beta del pancreas, viene rilasciato direttamente nella circolazione quando i livelli di glucosio nel sangue aumentano. Funziona quindi come un messaggero chimico che si lega ai recettori (che sono essi stessi proteine) su molte cellule umane, istruendole ad assumere il glucosio, normalizzando così la concentrazione di glucosio nel sangue.

Mutazioni

Per funzionare correttamente, le proteine devono avere le corrette sequenze di aminoacidi, il che si basa in definitiva sul fatto che il codice genetico rimanga costante. Tuttavia, ci sono così tante basi nucleotidiche nel genoma umano (circa tre miliardi di coppie di basi) che invariabilmente si verificano degli errori. Tali errori sono chiamati mutazioni e possono portare alla produzione di proteine che possono non funzionare correttamente. Le proteine anormali sono associate a una varietà di malattie, comprese alcune forme di malattie autoimmuni e maligne.

Le mutazioni genetiche possono verificarsi casualmente a seguito di errori nella replicazione del DNA (descritto nella parte 1 di questa serie), in particolare quando il corpo invecchia; in alternativa, possono essere causate da fattori ambientali che danneggiano direttamente le molecole di DNA. Tutto ciò che può danneggiare il DNA e portare alla mutazione è chiamato un mutageno (VanPutte et al, 2017). Molte mutazioni genetiche si verificano in sezioni del DNA che non codificano per le proteine (per esempio, negli introni non codificanti), quindi di solito hanno poco impatto sulla funzione fisiologica.

Fattori noti per danneggiare il DNA, e quindi aumentare il rischio di mutazione, includono:

• Età crescente;
• Inquinanti;
• Infezioni – in particolare infezioni virali, poiché i virus spesso inseriscono i loro geni nel DNA umano, potenzialmente interrompendo le sequenze geniche;
• Radiazioni – per esempio, luce ultravioletta (UV) dal sole o raggi X da imaging medico.

La luce UV dal sole (in particolare UVB) è nota per danneggiare il DNA nelle cellule della pelle. Se si verifica una mutazione nei geni di controllo che regolano la divisione cellulare o nei geni che codificano per gli enzimi di riparazione del DNA, il risultato può essere una divisione cellulare incontrollata e il cancro della pelle (Hopkins, 2015). Anche se la pelle umana esposta alla luce del sole produce la propria protezione UV naturale sotto forma di melanina (il pigmento scuro che abbronza la pelle), l’esaurimento dello strato di ozono e il tempo eccessivo al sole possono portare a dosi dannose di radiazioni UV che aumentano il rischio di cancro della pelle. Le creme solari offrono una migliore protezione dai raggi UV e hanno dimostrato di ridurre significativamente i danni alla pelle indotti dai raggi UV e i tumori della pelle (Green e Williams, 2007).

Mutazioni come quelle causate dai raggi UV al DNA della pelle non vengono generalmente trasmesse attraverso le generazioni. Tuttavia, quando le mutazioni colpiscono le cellule germinali dei testicoli e delle ovaie, possono essere ereditate dalla prole. Più di 100.000 mutazioni sono state riportate nelle cellule germinali umane, molte delle quali sono associate a comuni malattie genetiche ereditabili (Vipond, 2013; Cooper et al, 2010). Alcune di queste saranno esplorate nel quarto e ultimo articolo di questa serie.