Roma – Scoperta l’origine di una duplicazione che fornisce alle piante diversi modi per ignorare le istruzioni codificate nel loro DNA, il che potrebbe aiutare gli scienziati a sfruttare i sistemi esistenti di una pianta per favorire tratti che la rendono più resiliente ai cambiamenti ambientali, come lo stress da calore o siccità. Lo rivela uno studio condotto da Xuehua Zhong, professore di biologia presso la facoltà di Arti e Scienze della Washington University di St. Louis, pubblicato su Science Advances. La nuova ricerca di Zhong si concentra sulla metilazione del DNA, un normale processo biologico nelle cellule viventi in cui piccoli gruppi chimici, chiamati gruppi metilici, vengono aggiunti al DNA. Questa attività controlla quali geni vengono attivati e disattivati, il che a sua volta influenza diversi tratti, tra cui il modo in cui gli organismi rispondono ai loro ambienti. Parte di questo lavoro consiste nel silenziare o disattivare certi frammenti di DNA che si muovono all’interno del genoma di un organismo. Questi cosiddetti geni saltanti, o trasposoni, possono causare danni se non vengono controllati. L’intero processo è regolato da enzimi, ma mammiferi e piante hanno sviluppato enzimi diversi per aggiungere gruppi metilici. “I mammiferi hanno solo due enzimi principali che aggiungono gruppi metilici in un contesto di DNA, ma le piante hanno in realtà più enzimi che lo fanno in tre contesti di DNA”, ha affermato Zhong, che è il Dean’s Distinguished Professorial Scholar e direttore del programma per le bioscienze vegetali e microbiche presso la WashU. “Questo è il focus del nostro studio; la domanda è: perché le piante hanno bisogno di enzimi di metilazione extra?”, ha aggiunto Zhong. Guardando al futuro, la ricerca di Zhong potrebbe aprire la strada a innovazioni in agricoltura migliorando la resilienza delle colture. “Alcuni geni o combinazioni di geni contribuiscono a determinate caratteristiche o tratti”, ha spiegato Zhong. “Se scopriamo esattamente come vengono regolati, allora possiamo trovare un modo per innovare la nostra tecnologia per il miglioramento delle colture”, ha continuato Zhong. Il nuovo studio è incentrato su due enzimi specificamente presenti nelle piante: CMT3 e CMT2. Entrambi gli enzimi sono responsabili dell’aggiunta di gruppi metilici al DNA, ma CMT3 è specializzato nelle parti del DNA chiamate sequenze CHG, mentre CMT2 è specializzato in parti diverse chiamate sequenze CHH. Nonostante le loro differenze funzionali, entrambi gli enzimi fanno parte della stessa famiglia di cromometilasi, CMT, che si è evoluta attraverso eventi di duplicazione che forniscono alle piante copie aggiuntive di informazioni genetiche. Utilizzando una pianta modello comune chiamata Arabidopsis thaliana, o crescione di thale, Zhong e il suo gruppo di ricerca hanno studiato come questi enzimi duplicati abbiano sviluppato funzioni diverse nel tempo. I ricercatori hanno scoperto che da qualche parte lungo la linea temporale evolutiva, CMT2 ha perso la sua capacità di metilare le sequenze CHG; questo perché manca un importante amminoacido chiamato arginina. “L’arginina è speciale perché ha una carica”, ha affermato Jia Gwee, studente laureato in biologia e co-primo autore dello studio. “In una cellula, è carica positivamente e quindi può formare legami idrogeno o altre interazioni chimiche con, ad esempio, il DNA caricato negativamente”, ha evidenziato Gwee.
Xuehua Zhong (a destra), professoressa di biologia alla WashU, studia le strategie evolutive che le piante usano per prosperare e sopravvivere. Studia spesso l’Arabidopsis thaliana , o crescione di thale.
Credito
Sean Garcia, Università di Washington
Tuttavia, la CMT2 ha un amminoacido diverso, la valina. “La valina non è carica, quindi non è in grado di riconoscere il contesto CHG come la CMT3; questo è ciò che pensiamo contribuisca alle differenze tra i due enzimi”, ha dichiarato Gwee, vincitore del Dean’s Award for Graduate Research Excellence in Arts & Sciences. Per confermare questo cambiamento evolutivo, il laboratorio di Zhong ha utilizzato una mutazione per riportare l’arginina in CMT2. Come previsto, CMT2 è stato in grado di eseguire sia la metilazione CHG che CHH. Ciò suggerisce che CMT2 fosse originariamente un duplicato di CMT3, un sistema di backup per aiutare ad alleggerire il carico man mano che il DNA diventava più complesso. “Ma, invece di copiare semplicemente la funzione originale, ha sviluppato qualcosa di nuovo”, ha spiegato Zhong. Questa ricerca ha anche fornito spunti sulla struttura unica di CMT2. L’enzima ha un N-terminale lungo e flessibile che controlla la propria stabilità proteica. “Questo è uno dei modi in cui le piante si sono evolute per la stabilità del genoma e per combattere gli stress ambientali”, ha sottolineato Zhong. “Questa caratteristica potrebbe spiegare perché CMT2 si è evoluto in piante che crescono in una così ampia varietà di condizioni in tutto il mondo”, ha notato Zhong. Gran parte dei dati per questo studio provengono dal progetto 1001 Genomes , che mira a scoprire la variazione della sequenza del genoma intero nei ceppi di A. thaliana provenienti da tutto il mondo. “Stiamo andando oltre le condizioni di laboratorio”, ha osservato Zhong. “Stiamo esaminando tutte le accessioni selvatiche nelle piante utilizzando questo set di dati più ampio”, ha precisato Zhong, che ritiene che parte del motivo per cui A. thaliana si è evoluta per prosperare nonostante gli stress ambientali sia dovuto alla diversificazione che avviene durante il processo di metilazione, inclusi quei trasposoni saltanti: “Un salto potrebbe aiutare le specie a gestire condizioni ambientali difficili”, ha concluso Zhong. (30Science.com)
