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RNA in tripla elica e informazioni genetiche

By ScientifiCult 11 Gennaio 2023

RNA IN TRIPLA ELICA E INFORMAZIONI GENETICHE

Per la prima volta è stato dimostrato l’effetto delle strutture a tripla elica sia sullo spegnimento che sull’accensione dei geni.

Pubblicata su «Nucleic Acids Research» la ricerca di un team internazionale guidato dal Dipartimento di Biomedicina Comparata e Alimentazione dell’Università di Padova

Le molecole che immagazzinano e trasmettono l’informazione genetica, gli acidi nucleici DNA e RNA, sono polimeri lineari che si trovano comunemente nelle cellule nella forma a singolo filamento o in duplex (doppio filamento ad elica). Nonostante tali polimeri possano assumere altre geometrie come il triplex (tre filamenti) o il quadruplex (quattro filamenti), le funzioni biologiche di queste architetture alternative rimangono tuttora poco note. In particolare i triplex “ibridi” sono strutture a tripla elica composte da un duplex di DNA o RNA e un singolo filamento di un altro acido nucleico e sembrano coinvolti in meccanismi regolatori.

Le strutture a tripla elica ibride sono oggetto di intensi studi che riguardano in particolare i “long non-coding RNA” (lncRNA), RNA a singolo filamento non codificanti proteine, e che sembrano essere coinvolti nella regolazione di geni specifici proprio con un meccanismo di inibizione o stimolo della trascrizione che coinvolge strutture a tripla elica.

Lo studio condotto da Alessandro Cecconello del team di ricerca internazionale italo-tedesco composto dall’Università di Padova e dall’Università di Monaco presenta per la prima volta un approccio generale all’analisi del meccanismo di regolazione della trascrizione genica, ovvero la conversione del DNA in RNA, mostrando come sia possibile determinarne l’inibizione o l’aumento mediante la formazione di triplex ibridi, avendo come effetto finale lo spegnimento o l’attivazione di quel gene.

La ricerca pubblicata sulla rivista «Nucleic Acids Research» dal titolo “Rational design of hybrid DNA–RNA triplex structures as modulators of transcriptional activity in vitro” descrive l’utilizzo di filamenti di RNA sintetico per il controllo dell’espressione di geni da unità trascrizionali prodotte in vitro (unità composte da una parte regolatoria e una parte trascritta) e progettate a partire da DNA batterico.

In particolare, lo studio descrive un approccio innovativo di biologia sintetica: attraverso la modifica di sequenze di regolazione genica batteriche fuse con sequenze in grado di formare complessi con sostanze fluorescenti (aptameri fluorogenici) si è monitorato l’effetto di strutture a tripla elica ibride (triplex di DNA e RNA) sulla velocità del processo di trascrizione genica. Questo nuovo metodo sperimentale ha permesso di stimare in modo preciso la velocità dell’enzima RNA polimerasi usando la misura della fluorescenza di aptameri che si accumulano in soluzione durante il processo di trascrizione.

«Lo studio, iniziato all’Università di Monaco e completato a Padova, è la sintesi di diversi anni di impegno di ricerca sull’ingegnerizzazione di sequenze genomiche, sul design e messa a punto di RNA funzionali, quali gli aptameri fluorescenti. È questo – dice Alessandro Cecconello del Dipartimento di Biomedicina Comparata e Alimentazione dell’Ateneo patavino e prima firma della pubblicazione – un nuovo filone di ricerca nell’ambito della Synthetic Biology e delle tecnologie a RNA. In particolare, per la prima volta è stato dimostrato l’effetto delle strutture a tripla elica sia sullo spegnimento che sull’accensione dei geni.I prossimi obiettivi coinvolgeranno lo studio del dettaglio molecolare del meccanismo d’azione dei DNA-RNA triplex, l’identificazione di agenti che possano influire sulla formazione di tali strutture ibride e, di conseguenza, il loro effetto sulla regolazione genica in vivo e, infine, il loro potenziale terapeutico».

La ricerca è stata finanziata dalla European Molecular Biology Organization (EMBO), Unione Europea (REACT-EU ed ERC-AEDNA), Dipartimento di Biomedicina Comparata e Alimentazione (BCA) dell’Università di Padova e MIUR (ECCE AQUA) ed è stata condotta da Alessandro Cecconello del gruppo di ricerca in nanobiotecnologie del Dipartimento BCA guidato dal Prof. Fabio Vianello, con il Dott. Massimiliano Magro e la collaborazione internazionale del Prof. Friedrich Simmel della Università Tecnica di Monaco (TUM).

Link alla ricerca: https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac1131/6947078

Titolo: “Rational design of hybrid DNA–RNA triplex structures as modulators of transcriptional activity in vitro” – «Nucleic Acids Research» – dicembre 2022

Autori: Alessandro Cecconello, Massimiliano Magro, Fabio Vianello, Friedrich C. Simmel

Gruppo di ricerca in nanobiotecnologie

Il gruppo di ricerca in nanobiotecnologie del Dipartimento di Biomedicina Comparata e Alimentazione dell’Università di Padova è guidato dal Professor Fabio Vianello e si occupa di sviluppare applicazioni biotecnologiche di nanomateriali ibridi nei settori della biomedicina, della sensoristica e valorizzazione del settore alimentare.

Alessandro Cecconello è ricercatore nel Dipartimento di Biomedicina Comparata e Alimentazione dell’Università di Padova da gennaio 2021 (REACT EU-PON “Ricerca e Innovazione 2014-2020” – DM 1062/2021). Ha conseguito la laurea magistrale in Biotecnologie Industriali all’Ateneo patavino e il Dottorato di ricerca in Chimica alla Hebrew University di Gerusalemme (Israele).

Testo e foto dall’Ufficio Stampa dell’Università degli Studi di Padova sul nuovo studio circa RNA in tripla elica e informazioni genetiche

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Medicina

Dalla “doppia vita” della vimentina nuove terapie per la lotta al tumore

By ScientifiCult 16 Febbraio 2022

DALLA “DOPPIA VITA” DELLA VIMENTINA NUOVE TERAPIE PER LA LOTTA AL TUMORE

I risultati pubblicati sulla rivista Nucleic Acids Research da un gruppo di ricercatori dell’Università di Padova indicano che il legame tra la proteina vimentina e il DNA possa essere funzionale alla proteina stessa per far crescere e muovere le cellule tumorali.

L’articolo è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Nucleic Acids Research, con il titolo “Vimentin binds to G-quadruplex repeats found at telomeres and gene promoters” dal gruppo coordinato dalla professoressa Claudia Sissi, del Dipartimento di Scienze del Farmaco dell’Università degli Studi di Padova. I dati sono stati ottenuti nell’ambito di una linea di ricerca in cui si tenta di utilizzare alcune peculiarità strutturali di porzioni del genoma per nuovi approcci terapeutici in campo oncologico. Nel DNA ci sono sequenze in grado di ripiegarsi in modo anomalo in strutture definite non canoniche, tra cui quelle note come G-quadruplex sono quelle a oggi più ampiamente studiate. Ma perché in alcuni segmenti del genoma queste sequenze si sistemano vicine l’una all’altra? Ci sono utili per identificare nuovi bersagli terapeutici?

«La voglia di rispondere a queste domande ci ha spinto a metterci in rete e, all’Ateneo Padova, abbiamo costituito un gruppo interdisciplinare – dice Claudia Sissi del Dipartimento di Scienze del Farmaco –. Le competenze sullo studio e la caratterizzazione degli acidi nucleici e delle proteine, presenti nel Dipartimento di Scienze del Farmaco, si sono arricchite delle capacità bioinformatiche del gruppo del Prof. Stefano Toppo, del Dipartimento di Medicina Molecolare, e dell’esperienza in ambito cellulare del gruppo della Prof.ssa Mery Giantin, del Dipartimento di Biomedicina Comparata e Alimentazione».

Claudia Sissi

Questo modo di lavorare ha consentito di rivelare la “doppia vita” della vimentina. Questa proteina è nota per formare dei filamenti che creano una sorta di rete, la quale rinforza la struttura della cellula e le consente di spostarsi. La vimentina è presente anche nel nucleo delle cellule dove è conservato il DNA. Studiando alcuni frammenti di DNA, che sappiamo essere importanti per controllare la crescita di cellule tumorali, è stato dimostrato che questa proteina si lega in modo specifico a siti del genoma dove due o più strutture G-quadruplex sono vicine. La distribuzione della proteina che ne risulta non è casuale: il gruppo di ricerca padovano ha osservato che si concentra proprio su quei geni necessari a vimentina per far crescere e muovere le cellule tumorali.

«Questa visione di ricerca integrata ci ha consentito di identificare un nuovo bersaglio terapeutico che può ora essere utilizzato per mettere a punto un nuovo approccio terapeutico in campo oncologico – conclude Claudia Sissi del Dipartimento di Scienze del Farmaco –. Impedendo il legame della proteina a questi siti del DNA si potrebbe forse inibire la formazione delle metastasi da parte delle cellule tumorali. Da un lato si eviterebbe così che la malattia si estenda a vari organi, dall’altro si limiterebbe la replicazione delle cellule tumorali. Questo rallentamento potrebbe dare più tempo per intervenire in modo mirato ed efficiente».

Lo studio è stato sostenuto da Fondazione AIRC per la Ricerca sul Cancro.

Link alla ricerca: https://doi.org/10.1093/nar/gkab1274

Titolo: “Vimentin binds to G-quadruplex repeats found at telomeres and gene promoters” – «Nucleic Acids Research» 2022

Autori: Silvia Ceschi, Michele Berselli, Marta Cozzaglio, Mery Giantin, Stefano Toppo, Barbara Spolaore, Claudia Sissi*

Testo e foto dall’Ufficio Stampa Università degli Studi di Padova.

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Genetica

Dallo studio dei G-quadruplex indicazioni utili per progettare nuovi farmaci oncoterapici

By ScientifiCult 6 Ottobre 2021

DALLO STUDIO DEI G-QUADRUPLEX INDICAZIONI UTILI PER PROGETTARE NUOVI FARMACI ONCOTERAPICI

I ricercatori delle Università Milano-Bicocca, Insubria e Padova in collaborazione con il Cnr-Ifn hanno analizzato come si evolvono le strutture secondarie del DNA presenti in alcuni promotori di protooncogeni. Gli studi pubblicati su Nucleic Acids Research.

G-quadruplex farmaci — Dallo studio dei G-quadruplex indicazioni utili per progettare nuovi farmaci oncoterapici. Foto PublicDomainPictures

Osservare da vicino il comportamento dei G-quadruplex, strutture secondarie del Dna, per contribuire alla messa a punto di farmaci oncoterapici di nuova generazione. I risultati degli studi condotti in collaborazione dai ricercatori delle Università dell’Insubria, di Milano-Bicocca e di Padova, con il coinvolgimento dell’Istituto di Fotonica e nanotecnologie del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ifn), sono confluiti in due lavori pubblicati sulla rivista Nucleic Acids Research (DOI: 10.1093/nar/gkab079 – 10.1093/nar/gkab674).

Quando pensiamo al Dna, la struttura che subito ci affiora alla mente è la doppia elica. Da anni, tuttavia, è noto come il Dna possa assumere localmente strutture non canoniche. Un aspetto particolarmente rilevante è che questi sistemi rappresentano degli interessanti punti di intervento terapeutico per trattare molte patologie tra cui tumori, malattie neurodegenerative, infezioni, e così via. Per la loro particolare importanza funzionale, le strutture secondarie non canoniche denominate G-quartets (G4s) occupano un posto di rilievo in questo contesto. Finora la ricerca di nuovi farmaci indirizzati verso questi bersagli non ha prodotto i risultati sperati e questo deriva in larga parte dal fatto che la struttura del Dna varia sensibilmente nel tempo e nello spazio.

I ricercatori hanno analizzato le proprietà conformazionali e nanomeccaniche dei G4s presenti nel promotore di un particolare protooncogene responsabile di diverse forme tumorali, abbinando tecniche di ensemble a misure di singola molecola per capire come queste strutture evolvono nel tempo, come la loro evoluzione è influenzata dalla matrice di Dna a doppia elica che le circonda e come interagiscono quando si formano una vicina all’altra. Inoltre, è stato osservato come la presenza di sequenze in grado di formare G4s in un tratto di Dna favorisca la denaturazione nanomeccanica della doppia elica in questo tratto, quindi l’inizio dell’espressione genica. Poiché le proteine deputate alla trascrizione del Dna, evento che dà inizio alla sintesi proteica, funzionano esercitando forze e torsioni sui promotori al fine di indurne la denaturazione locale, le informazioni raccolte costituiscono una “fotografia” ad alta risoluzione del bersaglio di elezione. Infine, è stato possibile seguire come si ripiegano queste sequenze e con quale velocità. Queste informazioni aiuteranno a progettare farmaci di nuova generazione che siano in grado di controllare la produzione di oncoproteine in pazienti neoplastici.

«Si tratta di una collaborazione fra soggetti lontani geograficamente, ma coinvolti in una sorta di laboratorio delocalizzato, che sono in grado di realizzare strumentazioni innovative non commerciali e di applicarle alla caratterizzazione di campioni biologici progettati ad hoc. Tutto questo è possibile, grazie anche al supporto delle nostre Istituzioni Universitarie che permettono e facilitano questo networking» dichiara il dottor Luca Nardo del Dipartimento di Scienza e alta tecnologia dell’Università dell’Insubria.

«La ricerca è stata condotta in modo interdisciplinare, con il coinvolgimento paritetico di Biofisici e Chimici Farmaceutici. Infatti, soltanto attraverso una stretta collaborazione tra ricercatori appartenenti a comunità scientifiche che tradizionalmente interagiscono solo marginalmente, disposti a compartecipare competenze complementari, è possibile dare risposte a domande che apparentemente sembrano insolubili. In particolare è stato necessario realizzare misure di singola molecola su filamenti di Dna studiati letteralmente uno per uno, al fine di caratterizzare aspetti che vengono generalmente nascosti da misure di insieme» afferma il professor Francesco Mantegazza, del Dipartimento di Medicina e Chirurgia dell’Università di Milano-Bicocca».

«Il contributo fondamentale dei nostri risultati è quello di aver sottolineato in modo forte alla comunità scientifica come sia necessario capire l’evoluzione nel tempo e nello spazio dei bersagli che vogliamo colpire per intervenire in modo efficace e mirato. Il nostro network, coinvolgendo scienziati con visioni apparentemente diverse, ci ha consentito di rispondere a questa necessità mettendo a punto approcci innovativi e versatili che potranno quindi ora essere utilizzati a più ampio respiro» è quanto riassume la professoressa Claudia Sissi del Dipartimento di Scienze del Farmaco dell’Università degli Studi di Padova.

«In qualità di responsabile del Laboratorio di Fotofisica e Biomolecole a Como, compartecipato da Cnr e Insubria, sono estremamente soddisfatta degli importanti risultati ottenuti negli ultimi anni e di questo in particolare. Ringrazio tutti i giovani ricercatori che nel tempo si sono alternati in laboratorio, senza la cui dedizione e competenza la ricerca sarebbe stata impossibile», conclude la professoressa Maria Bondani del Cnr-Ifn.

Testo dall’Ufficio Stampa Università di Padova.

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