Prima immagine di un retro trasposone in azione
Un'innovazione con una risoluzione sub-nanometrica
Per la prima volta, gli scienziati sono riusciti a visualizzare un retrotrasposone all'interno della cellula di un organismo complesso. Utilizzando una tomografia crioelettronica (cryo-ET) all'avanguardia, questa scoperta è stata ottenuta con una risoluzione sub-nanometrica. Lo studio pubblicato su Cell mostra come il retrotrasposone copia attraversi il suo ciclo di replicazione ed entri nel nucleo della cellula attraverso i pori nucleari. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con Sven Klumpe, che presto creerà un proprio gruppo di ricerca come Joint Fellow dell'IMP e dell'IMBA e attualmente lavora presso l'MPI di Biochimica a Martinsried, e con il gruppo di Julius Brennecke dell'IMBA, tra gli altri.
Struttura del capside del retrotrasposone copia.
© Sven Klumpe
Nelle nostre cellule si sta scatenando una corsa agli armamenti: i trasposoni - noti anche come geni saltatori o elementi genetici mobili - possono moltiplicarsi e reinserirsi nel genoma. Così facendo, mettono a rischio l'integrità del genoma innescando riarrangiamenti e mutazioni del DNA. In cambio, le cellule proteggono il loro genoma con complessi meccanismi di difesa che impediscono ai trasposoni di saltare. Ora, per la prima volta, un retrotrasposone è stato osservato "in azione" direttamente in una cellula: Affinando le tecniche di crio-ET, gli scienziati hanno visualizzato il retrotrasposone copia nelle ovaie del moscerino della frutta Drosophila melanogaster con una risoluzione sub-nanometrica.
Il team internazionale responsabile di questo lavoro comprende anche tre ricercatori legati al BioCenter di Vienna: Sven Klumpe, attualmente nel laboratorio di Jürgen Plitzko presso il Max Planck Institute of Biochemistry di Martinsried, che creerà un gruppo di ricerca come Joint Fellow presso l'IMBA e l'IMP; Julius Brennecke, Senior Group Leader presso l'IMBA; e Kirsten Senti, Staff Scientist nel gruppo di Brennecke. È coinvolto anche il gruppo di Martin Beck dell'Istituto Max Planck di Biofisica di Francoforte. L'articolo sarà pubblicato il 5 marzo sulla rivista scientifica Cell.
La tomografia crioelettronica è una tecnica di imaging che consente di visualizzare tridimensionalmente le strutture cellulari a livello molecolare. Una serie di immagini 2D vengono riprese da diverse angolazioni e combinate per creare un modello 3D dettagliato. La crio-ET fornisce una visione unica dell'ultrastruttura delle cellule. Finora, tuttavia, il metodo è stato utilizzato principalmente per organismi unicellulari, poiché i campioni per la crio-ET devono essere protetti dalla formazione di cristalli di ghiaccio mediante congelamento rapido - "vetrificazione". I tessuti multicellulari richiedono il congelamento ad alta pressione e spesso sono troppo spessi per i metodi standard di preparazione della crio-ET.
Il capside assomiglia a quello dell'HIV-1
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato il "cryo-lift-out", una tecnica che può essere utilizzata per preparare tessuti complessi per la crio-ET. Questa tecnica prevede l'uso di fasci di ioni focalizzati e una precisa micromanipolazione in condizioni criogeniche. Applicando questo metodo alle ovaie di Drosophila melanogaster e alle cellule da esse isolate, i ricercatori hanno ricostruito la struttura del capside del retrotrasposone copia con una risoluzione di 7,7 Å - la prima struttura di un retrotrasposone con risoluzione sub-nanometrica nel suo ambiente cellulare naturale.
Grazie ai recenti progressi nell'analisi strutturale assistita dall'intelligenza artificiale, l'équipe ha creato un modello integrativo del capside usando AlphaFold 2. Sulla base di questo, hanno sviluppato esperimenti guidati dalla struttura. Ciò ha dimostrato che il capside del retrotrasposone copia si ripiega in modo simile al capside maturo dell'HIV-1, confermando le osservazioni precedenti con campioni purificati.
Klumpe e colleghi sono anche riusciti a catturare istantanee del ciclo di replicazione di copia in camere d'uovo intatte. Come i retrovirus, i retrotrasposoni vengono trascritti dal genoma, esportati nel citoplasma e tradotti in particelle simili a virus, dove il loro genoma a RNA viene infine trascritto in senso inverso. Tuttavia, un enigma centrale della ricerca sui retrotrasposoni è il modo in cui questi ultimi ritornano nel nucleo della cellula, dove vengono inseriti nel genoma.
Approfondimenti sul ciclo di vita dei retrotrasposoni
L'analisi del capside di copia nelle cellule ha mostrato che le particelle virali si trovano nel citoplasma in prossimità dei pori nucleari che collegano il citoplasma al nucleo. Come l'HIV-1, evolutivamente correlato, copia sembra passare attraverso i pori nucleari nel nucleo della cellula come una particella intatta. In questo caso, il complesso dei pori nucleari sembra agire come un setaccio molecolare: solo le particelle di una certa dimensione possono entrare. L'interruzione del trasporto attivo mediante manipolazione genetica ha fatto sì che le particelle di copia rimanessero nel citoplasma.
Sebbene nel genoma di Drosophila siano presenti molti retrotrasposoni, copia è di gran lunga il più frequentemente espresso. Lavori precedenti hanno dimostrato che copia è destinato principalmente al germe maschile. Il nuovo studio ha anche analizzato come il sistema di repressione dei trasposoni in Drosophila, il cosiddetto percorso piRNA, reprima copia. Nei testicoli del moscerino della frutta è stato trovato un numero particolarmente elevato di piRNA antisenso contro copia. Nei moscerini della frutta con una via piRNA inattivata, in cui i trasposoni sono espressi senza ostacoli, i ricercatori hanno trovato copia nelle femmine, soprattutto nei nuclei germinali, che in seguito non entrano nel materiale genetico della cellula uovo e muoiono in modo programmato. Nelle mosche maschio, invece, i retrotrasposoni copia migrano dal citoplasma al nucleo della cellula germinale durante la spermatogenesi - un'indicazione che l'ingresso nel nucleo è un passo essenziale nel ciclo di replicazione, adattato alla nicchia di copia: il testicolo maschile.
"I trasposoni sono stati a lungo considerati DNA spazzatura, ma hanno effetti di vasta portata sulla biologia e sull'evoluzione degli organismi che li ospitano. Il nostro studio dimostra il potenziale della crio-ET nell'esplorare la biologia strutturale cellulare dei trasposoni e nell'approfondire i meccanismi biologici cellulari dei loro cicli di replicazione", afferma Klumpe. Julius Brennecke, Senior Group Leader dell'IMBA, è già in attesa di nuove opportunità derivanti dal trasferimento di Klumpe all'IMBA e all'IMP: "La tomografia crioelettronica può essere applicata a molte questioni e Sven avrà numerose opportunità di collaborazione presso il BioCenter di Vienna".
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Pubblicazione originale
Sven Klumpe, Kirsten A. Senti, Florian Beck, Jenny Sachweh, Bernhard Hampoelz, Paolo Ronchi, Viola Oorschot, Marlene Brandstetter, Assa Yeroslaviz, John A.G. Briggs, Julius Brennecke, Martin Beck, Jürgen M. Plitzko; "In-cell structure and snapshots of copia retrotransposons in intact tissue by cryoelectron tomography"; Cell
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