Obelischi RNA: I Nuovi Misteriosi Inquilini dei Nostri Batteri – Bastano i Numeri per Sopravvivere?

Amici scienziati e curiosi di ogni sorta, preparatevi perché oggi vi porto nel bel mezzo di una scoperta che sta facendo tremare le fondamenta di quello che pensavamo di sapere sul mondo microscopico che ci circonda, e persino dentro di noi! Parliamo di entità biologiche così nuove e particolari che sembrano uscite da un romanzo di fantascienza: gli Obelischi.

Un Nuovo Mondo di RNA: Gli Obelischi

Recentemente, un gruppo di scienziati, Zheludev e colleghi (2024a,b), ha scoperchiato il vaso di Pandora, rivelando l’esistenza di una nuova classe di RNA simili ai viroidi, battezzati appunto “Obelischi”. Immaginate delle minuscole strutture di RNA, lunghe circa 1000 nucleotidi, che si ripiegano a formare delle specie di lunghe forcine e che, udite udite, codificano per una o due proteine dalla funzione ancora sconosciuta, chiamate Oblin. Questi Obelischi non sono creature rare e isolate; anzi, sono stati trovati un po’ ovunque nel globo, con una particolare predilezione per gli oceani e, cosa che ci tocca più da vicino, nei metatrascrittomi del microbioma orale umano. Sì, avete capito bene, potrebbero essere dei coinquilini abituali della nostra bocca!

Data la novità sconvolgente di questa scoperta, come potrete immaginare, la comunità scientifica si è subito messa in moto per verificare e approfondire. Ed è qui che entro in gioco io, o meglio, il lavoro di ricerca che voglio raccontarvi.

L’Obelisco Sotto la Lente: Obelisk-S.s in Streptococcus sanguinis SK36

Nel nostro studio, ci siamo concentrati su un Obelisco specifico, chiamato Obelisk-S.s (lungo 1137 nucleotidi), che era stato identificato nelle colture pure di Streptococcus sanguinis SK36. Questo batterio è un commensale comune del nostro microbioma orale, un microrganismo con cui conviviamo quotidianamente. Il nostro primo obiettivo era semplice ma cruciale: confermare l’esistenza di Obelisk-S.s in questo batterio, utilizzando dati trascrittomici indipendenti.

La Sorpresa: Abbondante RNA, Assente nel DNA!

E qui viene il bello. Abbiamo analizzato ben 17 set di dati RNA-seq (sequenziamento dell’RNA) di colture pure di SK36, e indovinate un po’? Obelisk-S.s era lì, e in quantità sbalorditive! Ma la vera sorpresa è stata un’altra: abbiamo cercato tracce di Obelisk-S.s nel genoma di SK36, cioè nel suo DNA. Risultato? Nessuna traccia significativa. Nemmeno riesaminando i dati di risequenziamento del genoma di SK36 è emerso qualcosa. Questo dato, già evidenziato da Zheludev et al. tramite PCR su DNA genomico, è stato da noi rinforzato con analisi bioinformatiche: il 100% delle letture di sequenziamento del DNA mappava sul genoma di SK36, mentre zero letture mappavano sulla sequenza di Obelisk-S.s. Questo significa che Obelisk-S.s esiste come una popolazione intracellulare di piccoli RNA viroidi-simili all’interno delle cellule di SK36, ma non è codificato stabilmente nel DNA del batterio ospite. Una sorta di “fantasma” genetico che si manifesta solo come RNA.

Un’Abbondanza Sconcertante

Torniamo all’abbondanza. Per darvi un’idea, in 11 dei 17 set di dati RNA-seq analizzati, Obelisk-S.s era più abbondante di qualsiasi mRNA (RNA messaggero, le molecole che portano le istruzioni per costruire le proteine) prodotto dal batterio stesso! Negli altri 6 set di dati, si classificava comunque tra i primissimi posti, mai sotto il 16° su 2271 sequenze. Anche se l’RNA-seq ci dà abbondanze relative e non numeri di copie assoluti, questi dati suggeriscono che Obelisk-S.s esiste in un numero di copie elevatissimo all’interno delle cellule SK36. Certo, non possiamo escludere che questi RNA siano particolarmente “bravi” a farsi catturare durante le procedure di RNA-seq, o che ci siano stadi sconosciuti della loro replicazione che gonfino le stime, ma la tendenza è chiara.

Vista questa incredibile abbondanza, ci siamo chiesti: potrebbero coesistere diverse varianti di Obelisk-S.s all’interno di una singola popolazione di SK36? Abbiamo quindi cercato mutazioni (polimorfismi) a bassa frequenza.

Piccole Variazioni sul Tema: Segni di Evoluzione?

Abbiamo trovato qualcosa di interessante! In alcuni campioni, sono emerse tre mutazioni di Obelisk-S.s con una frequenza allelica tra il 5% e il 10%:

• Una mutazione sinonima R162R (cioè che non cambia l’amminoacido nella proteina Oblin-1) in un set di repliche trascrittomiche.
• Un’altra mutazione sinonima I48I (sempre in Oblin-1) e una mutazione intergenica (cioè tra geni) in un altro set di repliche.

Questi polimorfismi non erano conservati in tutti i trascrittomi di SK36, suggerendo che potrebbero essere emersi durante la crescita delle monocolture di SK36, prima della preparazione del cDNA per l’RNA-seq. È come se questi Obelischi stessero “vivendo” e mutando all’interno delle cellule ospiti. Le dinamiche evolutive che guidano questi pattern preliminari di variazione – tassi di mutazione, forza della selezione, effetti sul fitness, colli di bottiglia durante la divisione cellulare di SK36 e il conseguente drift genetico – restano un mistero affascinante tutto da esplorare. Potrebbe trattarsi di un tasso di mutazione relativamente basso durante la replicazione dell’RNA, oppure dell’azione di una forte selezione purificante, considerando che i viroidi sono noti per avere tassi di mutazione tra i più alti conosciuti.

Come Fanno a Persistere? Un Modello Matematico

La domanda sorge spontanea: come fanno questi Obelischi a persistere così stabilmente in SK36, soprattutto se non offrono un vantaggio evidente all’ospite? La struttura secondaria a forcina, molto stabile, potrebbe proteggerli dalla degradazione cellulare. Certo, se conferissero un qualche beneficio al fitness o se la loro perdita comportasse un costo, la persistenza sarebbe spiegata. Ma la loro elevata abbondanza cellulare potrebbe essere la chiave, anche in assenza di un beneficio selettivo. Per esplorare questa ipotesi, abbiamo costruito un semplice modello matematico.

Il modello considera due tipi di cellule: quelle che contengono Obelischi (Tipo 1) e quelle che li hanno persi (Tipo 2). Le cellule di Tipo 1 crescono a un certo tasso (r1) e, durante la divisione cellulare, c’è una probabilità (µ) che una cellula figlia non erediti nessun Obelisco, a causa di una segregazione casuale. Questa probabilità µ diminuisce drasticamente all’aumentare del numero di copie (N) di Obelischi nella cellula madre (µ = (1/2)^N). Abbiamo anche ipotizzato che gli Obelischi impongano un piccolo costo lineare al fitness della cellula ospite. Abbiamo definito una “capacità di Obelischi” (N*) come il numero di Obelischi per cui la crescita della cellula ospite si azzera. Aumentare N* riduce il peso del singolo Obelisco sul fitness.

Il modello mostra che un alto numero di copie di Obelischi può stabilizzare transitoriamente le popolazioni di Obelischi intracellulari, semplicemente riducendo il tasso di generazione di cellule senza Obelischi. E non è tutto: abbondanze estreme di Obelischi potrebbero stabilizzare queste popolazioni indefinitamente! Nelle nostre simulazioni numeriche, quando il numero di copie di Obelischi per cellula raggiungeva circa 1100, il tasso di perdita pro capite µ diventava praticamente zero (a causa dei limiti di precisione numerica del calcolo), rendendo le cellule di Tipo 1 evolutivamente stabili, nonostante il costo di fitness imposto dagli Obelischi. Numeri così alti potrebbero essere biologicamente plausibili, dato che i DNA extracromosomici multicopia nei batteri possono raggiungere centinaia o addirittura migliaia di copie per cromosoma per cellula in casi estremi.

Altre Ipotesi sul Tavolo

Certo, il nostro modello è una semplificazione. Zheludev et al. hanno osservato che, in condizioni di crescita ottimali, non c’erano differenze di tasso di crescita tra isolati di SK36 con o senza Obelisk-S.s. Quindi, forse l’Obelisco impone un carico di fitness trascurabile. Oppure, potrebbero codificare qualche funzione benefica in condizioni specifiche che ancora non conosciamo. Un’altra possibilità intrigante è che gli Obelischi utilizzino un meccanismo di “uccisione post-segregazionale”, simile ai sistemi tossina-antitossina che stabilizzano molti plasmidi: se l’Obelisco viene perso, una “tossina” a lunga vita persiste e uccide la cellula, mentre l'”antitossina” a vita breve scompare. Infine, non possiamo escludere il trasferimento genico orizzontale. È noto che S. sanguinis produce vescicole di membrana extracellulari, e si è visto che queste vescicole contengono piccoli RNA. Potremmo speculare che gli Obelischi si trasferiscano tra cellule attraverso un meccanismo sconosciuto, magari proprio tramite queste vescicole.

Limiti del Modello e Domande Aperte: Un Futuro Ricco di Scoperte

Una limitazione chiave del nostro modello è che non tiene conto dell’osservazione sperimentale della perdita spontanea di Obelischi nelle colture di S. sanguinis in condizioni ottimali. Grandi fluttuazioni cellulari nelle dimensioni della popolazione di Obelischi intracellulari potrebbero spiegare questa perdita stocastica. Il lavoro futuro dovrà misurare come variano le dimensioni della popolazione di Obelischi nelle singole cellule, esaminare se i tassi di perdita stocastica cambiano con le condizioni ambientali ed esplorare quali meccanismi molecolari portano a questa perdita. Forse meccanismi regolatori dell’ospite eliminano periodicamente gli Obelischi nonostante la loro abbondanza, o forse specifiche localizzazioni subcellulari degli Obelischi aumentano la probabilità che cellule figlie non ne ereditino nessuno.

Fondamentalmente, gli aspetti basilari della biologia e della funzione degli Obelischi sono ancora poco compresi. Capire come questa nuova classe di RNA viroidi-simili funzioni ed evolva rimane un problema entusiasmante, una vera e propria frontiera delle scienze biologiche. E io, modestamente, sono elettrizzato all’idea di continuare a indagare!

Fonte: Springer