I geni dei mammiferi possono combinarsi per creare mRNA e proteine ​​precedentemente sconosciuti. / Mammalian genes can combine to create previously unknown mRNAs and proteins.

 I geni dei mammiferi possono combinarsi per creare mRNA e proteine ​​precedentemente sconosciuti. / Mammalian genes can combine to create previously unknown mRNAs and proteins.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

L'mRNA chimerico potrebbe fornire nuove informazioni sulle malattie difficili da trattare.

In sintesi

• I ricercatori hanno scoperto che i geni dei mammiferi possono combinarsi per formare mRNA chimerici, che contengono le istruzioni per produrre proteine ​​funzionali precedentemente sconosciute.

• Il primo mRNA chimerico che hanno studiato, nei topi, svolge un ruolo importante nella modulazione delle risposte infiammatorie.

• I risultati ampliano la comprensione della biologia e del genoma ed aggiungono potenzialmente migliaia di nuovi bersagli per la scoperta di farmaci.

Per decenni, gli scienziati hanno saputo che ciascuno dei circa 20.000 geni presenti nel corpo umano contiene le istruzioni per un singolo tipo di proteina. Ora, i ricercatori della Harvard Medical School hanno scoperto che le istruzioni provenienti da geni diversi, anche da cromosomi diversi, possono combinarsi per creare mRNA chimerici che producono proteine ​​funzionali finora sconosciute.

I risultati, pubblicati il ​​2 settembre su Nature, rivelano l'esistenza di potenzialmente migliaia di nuove proteine ​​chimeriche e dimostrano che almeno alcune di queste svolgono ruoli importanti in tutto l'organismo.

"Nessuno sa che queste molecole esistano. La medicina non ne conosce l'esistenza, l'industria farmaceutica non ne conosce l'esistenza", ha affermato l'autore senior Ruaidhrí Jackson, professore assistente di immunologia presso il Blavatnik Institute della Harvard Medical School. "Abbiamo scoperto un sistema di regolazione genica completamente nuovo che potrebbe espandere drasticamente il genoma ed il proteoma conosciuti".

Sebbene i ricercatori non sappiano ancora quanto sia diffuso il fenomeno, le proteine ​​chimeriche potrebbero essere coinvolte in una varietà di sistemi e contribuire a processi patologici attualmente poco compresi. Questo aspetto trascurato della biologia potrebbe offrire nuove prospettive su malattie complesse e fornire una nuova via per individuare bersagli farmacologici per il loro trattamento.

"Si aprono improvvisamente molte nuove possibilità per il tipo di molecole e proteine ​​che le cellule possono creare", ha affermato Harry Kane , co-primo autore e ricercatore in immunologia presso l'HMS e il Gene Lay Institute del Jackson Lab. "Se è possibile sfruttare gli RNA chimerici per la scoperta di farmaci e per la medicina, allora questo è davvero entusiasmante."

Una biblioteca del “genoma oscuro”

Sebbene alcuni organismi unicellulari e invertebrati, come i tripanosomi ed i nematodi, possano combinare geni a scopo regolatorio, questi sistemi non sembrano produrre proteine ​​e non sono stati riscontrati nei mammiferi. Gli esempi più noti di mRNA chimerico nell'uomo derivano da anomalie cancerogene in cui il DNA si frammenta e alcuni dei geni sparsi si fondono tra loro.

I risultati del sequenziamento dell'RNA hanno talvolta suggerito la possibile esistenza di mRNA chimerico nei tessuti sani, ma le tecniche di sequenziamento tradizionali hanno avuto difficoltà ad individuarli e potrebbero persino averne creati alcuni artificialmente.

"Fin dall'inizio, questo progetto si è rivelato ad alto rischio ed ad alto potenziale di successo", ha affermato Olivia Venezia, co-prima autrice e dottoranda in immunologia presso la Harvard Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences, nel Jackson Lab. "Non sapevamo quanti mRNA chimerici avremmo trovato né se avrebbero avuto rilevanza biologica."

Utilizzando una nuova tecnologia chiamata sequenziamento diretto dell'RNA, i ricercatori sono stati in grado di compilare un elenco di oltre 30.000 mRNA chimerici che sono stati osservati almeno una volta nelle cellule dei mammiferi: la cosiddetta "libreria del genoma oscuro", come la definisce Jackson. Finora, sono riusciti a delineare il profilo di regolazione di quasi 400 di questi da parte di segnali infiammatori, inclusi mRNA chimerici conservati sia nelle cellule immunitarie umane che in quelle del topo.

Il gruppo ha scoperto che, nelle cellule dei topi, i cromosomi sani possono ripiegarsi su se stessi come parte della risposta immunitaria, avvicinando geni normalmente distanti. I geni così adiacenti trascrivono un mRNA chimerico, che prende parte della sua sequenza da ciascun gene e produce una proteina che è un ibrido dei due.

"Pensavamo di avere una mappa di ogni mRNA prodotto nell'organismo, e ora ci rendiamo conto che quella era solo la prima pagina", ha affermato Jackson. "Esistono tantissime altre combinazioni possibili."

Ma l'esistenza di mRNA chimerico non significa necessariamente che esso crei proteine ​​funzionali o svolga un ruolo significativo nell'organismo.

Una chimera funzionale

Per determinare se un mRNA chimerico potesse effettivamente svolgere una funzione biologica nei mammiferi, Jackson ed il suo gruppo hanno scelto di esaminare un mRNA chimerico trovato nei topi: una combinazione dei geni che codificano per GSDMD e TMEM106A. La proteina prodotta dal solo GSDMD è responsabile dell'apertura delle membrane cellulari durante la piroptosi, un processo in cui le cellule immunitarie si rompono per innescare un'ampia risposta infiammatoria.

Innanzitutto, il gruppo ha confermato che la proteina chimerica, GSDMD-TMEM106A, è presente naturalmente nei topi. Infatti, viene prodotta come parte della risposta immunitaria nelle cellule di due diversi ceppi di topi da laboratorio, nonché in un ceppo di origine selvatica.

I ricercatori hanno quindi sviluppato uno strumento genetico per bloccare la produzione della proteina chimerica senza interferire con la produzione e la funzione delle proteine ​​standard GSDMD e TMEM106A.

Hanno scoperto che i topi privi della proteina chimerica avevano una risposta immunitaria più lenta rispetto ai topi normali. Quando i topi venivano infettati con la Salmonella, erano meno capaci di combattere i batteri.

"Non riescono a controllare l'infezione batterica", ha affermato Jackson. "Quasi il 50% del processo immunitario è stato ridotto senza la nostra proteina chimerica, anche se la normale GSDMD è ancora presente. La GSDMD ha bisogno della nostra GSDMD-TMEM106A per funzionare a pieno regime."

I ricercatori hanno anche testato i topi con un'endotossina che causa sepsi, una risposta immunitaria estrema che può essere letale. Il settanta per cento dei topi senza la proteina chimerica è sopravvissuto e si è ripreso da quella che normalmente sarebbe una dose letale, perché la loro risposta immunitaria era più lieve del normale.

I ricercatori hanno collaborato con l'azienda biotecnologica Moderna per ingegnerizzare un mRNA in grado di aumentare la produzione di GSDMD-TMEM106A nei topi. I topi con livelli elevati della chimera non sono sopravvissuti nemmeno ad una dose lieve di endotossina.

Tuttavia, i topi privi del gene GSDMD e con livelli elevati della chimera (grazie all'mRNA modificato) non hanno mostrato alcuna risposta all'endotossina. Ciò ha dimostrato che, sebbene GSDMD-TMEM106A acceleri significativamente il processo di piroptosi, non è in grado di aprire le membrane cellulari in assenza di GSDMD.

I risultati hanno confermato che questa proteina chimerica è fondamentale per la risposta infiammatoria nei topi.

"La proteina GSDMD-TMEM106A è stata inizialmente scoperta sulla base di una singola sequenza rilevata in uno dei nostri campioni. Ci eravamo preparati al fatto che si trattasse di una scoperta insignificante", ha affermato Kane. "È stato invece entusiasmante scoprire che GSDMD-TMEM106A non solo era una proteina reale, ma anche funzionale: poteva modulare il rilascio di molecole infiammatorie dalle cellule."

Esplorare il potenziale dell'RNA chimerico

C'è ancora molto da imparare sull'mRNA chimerico. Jackson, Kane, Venezia ed i loro colleghi continuano ad esplorare i segnali molecolari alla base della sua formazione: perché le due sequenze geniche parziali sono sempre connesse nello stesso punto, perché le proteine ​​chimeriche assumono determinate forme e cosa innesca i cromosomi per avvicinare geni specifici.

Ma sono soprattutto entusiasti di valutare una varietà di mRNA chimerici per i loro potenziali usi in medicina.

"Vogliamo scoprire quali di questi fattori siano attivi nelle malattie attualmente incurabili", ha affermato Jackson. "Crediamo di poter individuare nuovi attori che sono stati completamente trascurati dalla medicina, dall'industria farmaceutica e dalla scienza biomedica in generale."

Il laboratorio Jackson sta attualmente studiando diversi mRNA chimerici che potrebbero essere coinvolti nel cancro, nelle malattie infiammatorie e nelle malattie neurodegenerative. Hanno inoltre condiviso ulteriori sequenze di mRNA chimerici con colleghi interessati ad una varietà di altri processi.

"Ci vorranno anni di ricerca e l'impegno di molti scienziati diversi per capire i modi migliori per studiare gli RNA chimerici e caratterizzarne la rilevanza biologica", ha affermato Kane. "Se questo schema si rivelasse diffuso e molte molecole di RNA chimerico svolgessero funzioni interessanti nelle cellule, si aprirebbero moltissime possibilità per scoprire nuovi meccanismi biologici e individuare nuovi bersagli per lo sviluppo di farmaci."

ENGLISH

Chimeric mRNA could provide new insights into hard-to-treat diseases.

In brief

Researchers have discovered that mammalian genes can combine to form chimeric mRNAs, which contain instructions for producing previously unknown functional proteins.

The first chimeric mRNA they studied—in mice—plays a key role in modulating inflammatory responses.

The findings expand our understanding of biology and the genome, potentially adding thousands of new targets for drug discovery.

For decades, scientists have known that each of the roughly 20,000 genes in the human body holds the instructions for a single type of protein. Now, researchers at Harvard Medical School have discovered that instructions from different genes—even those on different chromosomes—can combine to create chimeric mRNAs that produce previously unknown functional proteins.

The findings, published September 2 in *Nature*, reveal the existence of potentially thousands of new chimeric proteins and demonstrate that at least some of them play important roles throughout the body.

"No one knows these molecules exist. Medicine doesn't know they exist; the pharmaceutical industry doesn't know they exist," said senior author Ruaidhrí Jackson, assistant professor of immunology at the Blavatnik Institute at Harvard Medical School. "We have discovered a completely new gene-regulation system that could drastically expand the known genome and proteome."

Although researchers do not yet know how widespread the phenomenon is, chimeric proteins could be involved in a variety of systems and contribute to disease processes that are currently poorly understood. This overlooked aspect of biology could offer new perspectives on complex diseases and provide a new avenue for identifying drug targets for their treatment. "Suddenly, many new possibilities are opening up regarding the types of molecules and proteins cells can create," said Harry Kane, co-first author and immunology researcher at HMS and the Gene Lay Institute at the Jackson Lab. "If chimeric RNAs can be harnessed for drug discovery and medicine, that is truly exciting."

A "dark genome" library

Although some single-celled organisms and invertebrates—such as trypanosomes and nematodes—can combine genes for regulatory purposes, these systems do not appear to produce proteins and have not been found in mammals. The best-known examples of chimeric mRNA in humans stem from cancer-related abnormalities where DNA fragments and scattered genes fuse together.

RNA sequencing results have occasionally hinted at the possible existence of chimeric mRNA in healthy tissues, but traditional sequencing techniques have struggled to detect them and may have even created some artificially.

"From the start, this project was high-risk, high-reward," said Olivia Venezia, co-first author and PhD student in immunology at the Harvard Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences, working at the Jackson Lab. "We didn't know how many chimeric mRNAs we would find or whether they would have any biological relevance."

Using a new technology called direct RNA sequencing, the researchers compiled a list of over 30,000 chimeric mRNAs observed at least once in mammalian cells—what Jackson calls a "dark genome library." So far, they have managed to profile how nearly 400 of these are regulated by inflammatory signals, including chimeric mRNAs conserved across both human and mouse immune cells. The team discovered that, in mouse cells, healthy chromosomes can fold back on themselves as part of the immune response, bringing together genes that are normally distant. These adjacent genes transcribe a chimeric mRNA—which draws part of its sequence from each gene—producing a protein that is a hybrid of the two.

"We thought we had a map of every mRNA produced in the organism, and now we realize that was just the first page," said Jackson. "There are countless other possible combinations."

However, the existence of chimeric mRNA does not necessarily mean it creates functional proteins or plays a significant role in the organism.

A functional chimera

To determine whether a chimeric mRNA could actually perform a biological function in mammals, Jackson and his team chose to examine a chimeric mRNA found in mice: a combination of the genes encoding GSDMD and TMEM106A. The protein produced by GSDMD alone is responsible for opening cell membranes during pyroptosis, a process in which immune cells rupture to trigger a broad inflammatory response.

First, the team confirmed that the chimeric protein, GSDMD-TMEM106A, occurs naturally in mice. Indeed, it is produced as part of the immune response in cells from two different laboratory mouse strains, as well as in a wild-derived strain.

The researchers then developed a genetic tool to block production of the chimeric protein without interfering with the production and function of the standard GSDMD and TMEM106A proteins.

They discovered that mice lacking the chimeric protein had a slower immune response compared to normal mice. When the mice were infected with *Salmonella*, they were less capable of fighting off the bacteria.

"They cannot control the bacterial infection," Jackson stated. "Almost 50% of the immune process was reduced without our chimeric protein, even though normal GSDMD is still present. GSDMD needs our GSDMD-TMEM106A to function at full capacity."

The researchers also tested the mice with an endotoxin that causes sepsis—an extreme immune response that can be lethal. Seventy percent of the mice lacking the chimeric protein survived and recovered from what would normally be a lethal dose, because their immune response was milder than normal. Researchers collaborated with the biotechnology company Moderna to engineer an mRNA capable of increasing GSDMD-TMEM106A production in mice. Mice with high levels of the chimera did not survive even a mild dose of endotoxin.

However, mice lacking the GSDMD gene but possessing high levels of the chimera (thanks to the modified mRNA) showed no response to the endotoxin. This demonstrated that, although GSDMD-TMEM106A significantly accelerates the process of pyroptosis, it cannot open cell membranes in the absence of GSDMD.

The results confirmed that this chimeric protein is crucial to the inflammatory response in mice.

"The GSDMD-TMEM106A protein was initially discovered based on a single sequence detected in one of our samples. We were prepared for the possibility that it might be an insignificant finding," said Kane. "Instead, it was exciting to discover that GSDMD-TMEM106A was not only a real protein but also a functional one: it could modulate the release of inflammatory molecules from cells.

Exploring the potential of chimeric RNA

There is still much to learn about chimeric mRNA. Jackson, Kane, Venezia, and their colleagues continue to explore the molecular signals underlying its formation: why the two partial gene sequences are always joined at the same point, why the chimeric proteins take on specific shapes, and what triggers chromosomes to bring specific genes into proximity.

But they are particularly excited about evaluating a variety of chimeric mRNAs for potential medical applications.

"We want to discover which of these factors are active in currently incurable diseases," said Jackson. "We believe we can identify new players that have been completely overlooked by medicine, the pharmaceutical industry, and biomedical science in general."

The Jackson Laboratory is currently studying various chimeric mRNAs that may be involved in cancer, inflammatory diseases, and neurodegenerative disorders. They have also shared additional chimeric mRNA sequences with colleagues interested in a variety of other processes.

"It will take years of research and the efforts of many different scientists to understand the best ways to study chimeric RNAs and characterize their biological relevance," said Kane. "If this pattern proves to be widespread and many chimeric RNA molecules perform interesting functions within cells, it would open up a wealth of possibilities for discovering new biological mechanisms and identifying new targets for drug development."

Da:

https://hms.harvard.edu/news/mammalian-genes-can-combine-make-previously-unknown-mrnas-proteins?utm_source=OCERMarketingCloud&utm_medium=email&utm_campaign=09.08.2026-HMNews&utm_content=Mammalian+Genes+Can+Combine+To+Make+Previously+Unknown+mRNAs%2c+Proteins

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