I neuroni mostrano tassi di editing dell'RNA ampiamente variabili / Neurons Show Widely Varying RNA Editing Rates
I neuroni mostrano tassi di editing dell'RNA ampiamente variabili / Neurons Show Widely Varying RNA Editing Rates
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Partendo tutti dallo stesso DNA, i neuroni alla fine assumono caratteristiche individuali nel cervello e nel corpo. Le differenze nei geni che trascrivono in RNA contribuiscono a determinare il tipo di neurone che diventeranno e, da lì, come dimostra un nuovo studio del MIT, le singole cellule modificano una selezione di siti in quei trascritti di RNA, ciascuno a ritmi molto variabili.
Il nuovo studio ha esaminato l'intero panorama dell'editing dell'RNA in oltre 200 singole cellule comunemente utilizzate come modelli di biologia neurale fondamentale: i motoneuroni tonici e fasici del moscerino della frutta. Una delle principali scoperte è che la maggior parte dei siti è stata modificata a tassi compresi tra gli estremi "tutto o niente" che molti scienziati hanno ipotizzato sulla base di studi più limitati sui mammiferi, ha affermato l'autore senior Troy Littleton, professore Menicon presso i dipartimenti di Biologia e Scienze del Cervello e Cognitive. Il set di dati risultante e le analisi pubblicate su eLife hanno posto le basi per le scoperte su come l'editing dell'RNA influisce sulla funzione neurale e quali enzimi implementano tali modifiche.
"Ora disponiamo di questo 'alfabeto' per l'editing dell'RNA in questi neuroni", ha affermato Littleton. "Sappiamo quali geni vengono modificati in questi neuroni, quindi possiamo iniziare a chiederci cosa stia succedendo a livello neuronale, nei punti più interessanti".
L'autore principale dello studio è Andres Crane, che ha conseguito il dottorato di ricerca nel laboratorio di Littleton grazie a questo lavoro.
Il gruppo di Littleton e Crane ha scoperto che, partendo da un genoma di circa 15.000 geni, i neuroni hanno apportato centinaia di modifiche nei trascritti di centinaia di geni. Ad esempio, il gruppo ha documentato modifiche "canoniche" di 316 siti in 210 geni. "Canoniche" significa che le modifiche sono state apportate dall'enzima ADAR, ampiamente studiato, presente anche nei mammiferi, incluso l'uomo. Delle 316 modifiche, 175 si sono verificate in regioni che codificano il contenuto proteico. L'analisi ha infatti suggerito che 60 di esse potrebbero alterare significativamente gli amminoacidi. Ma hanno anche trovato altri 141 siti di editing in aree che non codificano per le proteine, ma ne influenzano la produzione, il che significa che potrebbero influenzare i livelli proteici, piuttosto che il loro contenuto.
Il gruppo ha anche scoperto molte modifiche "non canoniche" che ADAR non ha apportato. Questo è importante, ha detto Littleton, perché queste informazioni potrebbero aiutare a scoprire altri enzimi coinvolti nell'editing dell'RNA, potenzialmente trasversali alle specie. Questo, a sua volta, potrebbe ampliare le possibilità per future terapie genetiche.
"In futuro, se riusciremo a capire nelle mosche quali sono gli enzimi che causano queste altre modifiche non canoniche, avremo una copertura più ampia per pensare a cose come riparare i genomi umani in cui una mutazione ha danneggiato una proteina di interesse", ha affermato Littleton.
Inoltre, analizzando specificamente le larve di mosca, il gruppo ha individuato numerose modifiche specifiche dei giovani rispetto agli adulti, suggerendo una potenziale rilevanza durante lo sviluppo. E poiché hanno analizzato i trascritti genici completi dei singoli neuroni, il gruppo è stato anche in grado di individuare target di editing che non erano stati catalogati in precedenza.
Tariffe molto variabili
Alcuni degli RNA più pesantemente modificati provenivano da geni che contribuiscono in modo cruciale alla comunicazione tra i circuiti neurali, come il rilascio di neurotrasmettitori ed i canali che le cellule formano per regolare il flusso di ioni chimici che ne variano le proprietà elettriche. Lo studio ha identificato 27 siti in 18 geni che sono stati modificati in oltre il 90% dei casi.
Tuttavia, a volte i neuroni variavano notevolmente nel decidere se modificare o meno un sito, il che suggerisce che anche neuroni dello stesso tipo possono comunque assumere gradi significativi di individualità.
"Alcuni neuroni hanno mostrato un editing pari a circa il 100% in determinati siti, mentre altri non ne hanno mostrato alcuno per lo stesso bersaglio", ha scritto il team su eLife. "È probabile che differenze così marcate nel tasso di editing in specifici siti bersaglio contribuiscano alle caratteristiche eterogenee osservate all'interno della stessa popolazione neuronale".
In media, un dato sito è stato modificato circa due terzi delle volte e la maggior parte dei siti è stata modificata entro un intervallo compreso tra gli estremi del "tutto o niente".
"La stragrande maggioranza degli eventi di editing che abbiamo riscontrato si collocava tra il 20% e il 70%", ha affermato Littleton. "Abbiamo riscontrato rapporti misti tra trascrizioni modificate e non modificate all'interno di una singola cella".
Inoltre, più un gene veniva espresso, minore era la sua capacità di modifica, il che suggerisce che l'ADAR poteva gestire solo fino ad un certo punto le sue opportunità di modifica.
Potenziali impatti sulla funzione
Uno degli interrogativi chiave che i dati consentono agli scienziati di porsi è quale impatto abbiano le modifiche dell'RNA sulla funzione delle cellule. In uno studio del 2023, il laboratorio di Littleton ha iniziato ad affrontare questo quesito esaminando solo due modifiche trovate nel gene più pesantemente modificato: la Complexina. Il prodotto proteico della Complexina inibisce il rilascio del neurotrasmettitore glutammato, rendendolo un regolatore chiave della comunicazione dei circuiti neurali. Hanno scoperto che mescolando ed abbinando le modifiche, i neuroni producevano fino a otto diverse versioni della proteina con effetti significativi sul rilascio di glutammato e sulla corrente elettrica sinaptica. Ma nel nuovo studio, il gruppo segnala altre 13 modifiche nella Complexina che devono ancora essere studiate.
Littleton ha affermato di essere affascinato da un'altra proteina chiave, chiamata Arc1, che lo studio mostra aver subito una modifica non canonica. Arc è un gene di vitale importanza nella "plasticità sinaptica", ovvero la proprietà dei neuroni di adattare la forza o la presenza delle connessioni del loro circuito "sinaptico" in risposta all'attività del sistema nervoso. Si ipotizza che tale agilità neurale sia alla base del modo in cui il cervello può codificare in modo reattivo nuove informazioni nell'apprendimento e nella memoria. In particolare, la modifica di Arc1 non si verifica nei moscerini della frutta che modellano il morbo di Alzheimer.
Littleton ha affermato che il laboratorio sta ora lavorando duramente per comprendere in che modo le modifiche dell'RNA da loro documentate influenzano la funzione dei motoneuroni della mosca.
ENGLISH
Scientists mapped hundreds of RNA edits in single neurons, revealing widespread variation that shapes neural identity.
All starting from the same DNA, neurons ultimately take on individual characteristics in the brain and body. Differences in which genes they transcribe into RNA help determine which type of neuron they become, and from there, a new MIT study shows, individual cells edit a selection of sites in those RNA transcripts, each at their own widely varying rates.
The new study surveyed the whole landscape of RNA editing in more than 200 individual cells commonly used as models of fundamental neural biology: tonic and phasic motor neurons of the fruit fly. One of the main findings is that most sites were edited at rates between the “all or nothing” extremes many scientists have assumed based on more limited studies in mammals, said senior author Troy Littleton, Menicon Professor in the Departments of Biology and Brain and Cognitive Sciences. The resulting dataset and analyses published in eLife set the table for discoveries about how RNA editing affects neural function and what enzymes implement those edits.
“We have this ‘alphabet’ now for RNA editing in these neurons,” Littleton said. “We know which genes are edited in these neurons so we can go in and begin to ask questions as to what is that editing doing to the neuron at the most interesting targets.”
Andres Crane, who earned his PhD in Littleton’s lab based on this work, is the study’s lead author.
From a genome of about 15,000 genes, Littleton and Crane’s team found, the neurons made hundreds of edits in transcripts from hundreds of genes. For example, the team documented “canonical” edits of 316 sites in 210 genes. Canonical means that the edits were made by the well-studied enzyme ADAR, which is also found in mammals including humans. Of the 316 edits, 175 occurred in regions that encode the contents of proteins. Analysis indeed suggested 60 are likely to significantly alter amino acids. But they also found 141 more editing sites in areas that don’t code for proteins but instead affect their production, which means they could affect protein levels, rather than their contents.
The team also found many “non-canonical” edits that ADAR didn’t make. That’s important, Littleton said, because that information could aid in discovering more enzymes involved in RNA editing, potentially across species. That, in turn, could expand the possibilities for future genetic therapies.
“In the future, if we can begin to understand in flies what the enzymes are that make these other non-canonical edits, it would give us broader coverage for thinking about doing things like repairing human genomes where a mutation has broken a protein of interest,” Littleton said.
Moreover, by looking specifically at fly larvae, the team found many edits that were specific to juveniles vs. adults, suggesting potential significance during development. And because they looked at full gene transcripts of individual neurons, the team was also able to find editing targets that had not been cataloged before.
Widely varying rates
Some of the most heavily edited RNAs were from genes that make critical contributions to neural circuit communication such as neurotransmitter release, and the channels that cells form to regulate the flow of chemical ions that vary their electrical properties. The study identified 27 sites in 18 genes that were edited more than 90 percent of the time.
Yet neurons sometimes varied quite widely in whether they would edit a site, which suggests that even neurons of the same type can still take on significant degrees of individuality.
“Some neurons displayed ~100 percent editing at certain sites, while others displayed no editing for the same target,” the team wrote in eLife. “Such dramatic differences in editing rate at specific target sites is likely to contribute to the heterogeneous features observed within the same neuronal population.”
On average, any given site was edited about two-thirds of the time, and most sites were edited within a range well between all or nothing extremes.
“The vast majority of editing events we found were somewhere between 20% and 70%,” Littleton said. “We were seeing mixed ratios of edited and unedited transcripts within a single cell.”
Also, the more a gene was expressed, the less editing it experienced, suggesting that ADAR could only keep up so much with its editing opportunities.
Potential impacts on function
One of the key questions the data enables scientists to ask is what impact RNA edits have on the function of the cells. In a 2023 study, Littleton’s lab began to tackle this question by looking at just two edits they found in the most heavily edited gene: Complexin. Complexin’s protein product restrains release of the neurotransmitter glutamate, making it a key regulator of neural circuit communication. They found that by mixing and matching edits, neurons produced up to eight different versions of the protein with significant effects on their glutamate release and synaptic electrical current. But in the new study, the team reports 13 more edits in Complexin that are yet to be studied.
Littleton said he’s intrigued by another key protein, called Arc1, that the study shows experienced a non-canonical edit. Arc is a vitally important gene in “synaptic plasticity,” which is the property neurons have of adjusting the strength or presence of their “synapse” circuit connections in response to nervous system activity. Such neural nimbleness is hypothesized to be the basis of how the brain can responsively encode new information in learning and memory. Notably, Arc1 editing fails to occur in fruit flies that model Alzheimer’s disease.
Littleton said the lab is now working hard to understand how the RNA edits they’ve documented affect function in the fly motor neurons.
Da:
https://www.technologynetworks.com/proteomics/news/neurons-show-widely-varying-rna-editing-rates-407262
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