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Retrovirus endogeni: una minaccia nascosta?

RETROVIRUS: GIOIE E DOLORI DI UNA CONVIVENZA GENOMICA

Circa l’8% del nostro genoma deriva da virus, il cui DNA è rimasto intrappolato nelle nostre cellule dopo aver perso la sua funzione originaria. Si tratta dei cosiddetti retrovirus endogeni. Come sono entrati a far parte del nostro DNA, e che ruolo hanno nel nostro genoma?

Il nostro genoma: un libro aperto?

Il nostro genoma è ancora sotto molti aspetti sconosciuto, sebbene, ormai la sua esatta sequenza sia nota da alcuni anni, grazie al Progetto Genoma Umano conclusosi nel 2003. Come ogni altro testo, il genoma deve essere non solo letto, ma anche interpretato e compreso. Attualmente, sappiamo che è costituito da 3,2 miliardi di paia di basi azotate (le “lettere” del DNA: A, T, C e G) e che al suo interno si trovano circa 22.000 geni, ovvero le sequenze di DNA contenenti le istruzioni per produrre proteine e RNA (acido ribonucleico). Dopo il sequenziamento del primo genoma umano, la comunità scientifica si è ritrovata con più domande di quante ne avesse in precedenza: si è scoperto, infatti, che il DNA codificante costituisce solo circa il 2% del materiale genetico delle nostre cellule. Perciò non possiamo fare a meno di chiederci quali funzioni svolga il restante 98% del nostro genoma, e da dove esso provenga.

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Innanzitutto, il DNA non codificante comprende le cosiddette sequenze correlate ai geni, che non contengono informazioni relative alla sequenza proteica, ma sono spesso necessarie affinché il gene sia correttamente tradotto in proteina. Queste comprendono gli introni: sequenze che si trovano all’interno dei geni ma sono rimosse dai trascritti durante il processo di splicing; le UTR (UnTranslated Regions): regioni alle estremità dei geni che non vengono tradotte in proteine; le regioni intergeniche, situate tra geni contigui. Si tratta di una porzione importante del nostro genoma, tuttavia restano ancora circa 2 Gb (miliardi di basi) di DNA “spazzatura” a funzione totalmente ignota. Per identificare le regioni più rilevanti all’interno di questa parte misteriosa del nostro DNA, può essere utile confrontare il nostro genoma con quello di altre specie.

Il DNA è in continua evoluzione a causa di mutazioni casuali della sua sequenza, ma se una regione viene conservata spesso, e in diverse specie, è indice del fatto che la suddetta sequenza svolge una funzione necessaria per la vita. Grazie alla crescente disponibilità di nuovi genomi sequenziati e allo sviluppo di tecniche di analisi bioinformatica, confrontare la sequenza del nostro DNA con quella di altri organismi è sempre più facile, veloce ed economico. Da studi di questo tipo è emerso un risultato inatteso e sorprendente: circa l’8% del genoma dei mammiferi è costituito da sequenze di DNA simili a quelle di un gruppo particolare di virus, i retrovirus.

Invasori silenziosi

I retrovirus sono un gruppo di virus a RNA che utilizzano l’enzima trascrittasi inversa per convertire il proprio genoma in una molecola di DNA che si integra nel genoma dell’ospite, una vera e propria forma di ingegneria genetica naturale. Come tutti i virus, a metà strada tra la materia vivente e non vivente, i retrovirus sono parassiti intracellulari obbligati, incapaci di replicarsi autonomamente: sfruttano i meccanismi replicativi degli organismi che infettano per produrre più copie di sé stessi.

Il loro ciclo vitale – ammesso che si possa definirli esseri viventi – prevede due fasi distinte. Una volta integrati nel genoma dell’ospite, si trovano in uno stato quiescente (provirus) in cui non esprimono la maggior parte dei geni e non provocano danni alle cellule. Tuttavia, quando queste si dividono e replicano il proprio DNA, anche il virus viene tramandato alle cellule figlie. Un cambiamento delle condizioni cellulari, tipicamente un segnale di stress, porta all’attivazione del virus: le cellule vengono indotte ad esprimere i geni virali, i cui prodotti si assemblano a formare nuovi virus pronti ad infettare altre cellule.

Un esempio nella vita quotidiana di questo meccanismo si può osservare nell’infezione da herpes virus, che è solitamente quiescente, ma si manifesta nei periodi di maggiore stress. Il tipico genoma retrovirale contiene tre geni: gag, pol ed env, sufficienti per l’integrazione, la replicazione e la diffusione del virus. Non sempre le infezioni retrovirali lasciano una traccia nel nostro DNA. L’inserzione può avvenire in una cellula somatica (una cellula di un qualsiasi tessuto dell’ospite) oppure in una cellula della linea germinale (cioè destinata alla riproduzione, come uno spermatozoo o un ovulo). Il secondo caso è il più raro, ma anche il più rilevante, perché solo in questo modo il virus potrà essere trasmesso alla prole, che erediterà il DNA virale in ogni sua cellula. Questo processo prende il nome di endogenizzazione e genera un retrovirus endogeno (ERV). In questo modo, le sequenze virali diventano parte integrante del genoma della specie infettata.

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Se ad essere infettata, invece, è una cellula somatica, con la morte dell’individuo si perderà ogni traccia dell’integrazione.

Per impedire la sua diffusione, l’organismo infettato da ERV può adottare varie strategie, tra cui bloccarne a monte l’espressione: l’ospite è in grado di silenziare il DNA virale in modo da evitarne l’attivazione grazie alla regolazione epigenetica (“sovrapposta” alla regolazione genetica), che include meccanismi per modulare l’espressione dei geni in modo indipendente dalla sequenza del DNA, tipicamente attraverso modificazioni chimiche locali. Questi meccanismi sono impiegati dalle cellule eucariotiche nei normali processi fisiologici, ma sono importanti anche per impedire la resurrezione dei retrovirus integrati nel genoma.

L’aggiunta di gruppi chimici al DNA o alle proteine ad esso associate (come gli istoni) può alterare lo stato di rilassamento del DNA e di conseguenza la sua accessibilità ai fattori proteici, inclusi quelli coinvolti nella trascrizione dei geni. Tra le possibili modificazioni, la metilazione (l’aggiunta di un gruppo metile -CH3) in molti casi è in grado di rendere il DNA più compatto e più difficilmente raggiungibile, con il risultato che tali regioni genomiche risultano silenziate e i loro prodotti non vengono espressi.

Retrovirus: riciclare per evolvere

La stretta dipendenza dei retrovirus dai loro ospiti può essere svantaggiosa sul lungo periodo. Quando si trova integrato nel genoma dell’ospite, il DNA virale (come ogni altra sequenza genomica) è soggetto a mutazioni e pressione selettiva che possono rendere più o meno favorevole la sua conservazione. In tempi molto lunghi l’accumulo di mutazioni può inattivare il retrovirus endogeno, che non è più in grado di riprendere il suo ciclo vitale e produrre particelle infettive.

A questo punto, il genoma si ritrova arricchito di una sequenza di DNA che può evolvere ed essere selezionata fino ad acquisire una nuova funzione. In questo modo hanno avuto origine molte sequenze regolative del nostro genoma: in molti casi infatti dagli ERV si ottengono promotori ed enhancer, gli interruttori che attivano l’espressione dei geni in certi tessuti, piuttosto che in altri. Queste sequenze sono riconosciute da fattori trascrizionali e di solito sono relativamente brevi, ma in certi casi è possibile che interi geni retrovirali vengano riciclati dal genoma, se questi conferiscono un vantaggio alla cellula: l’esempio forse più famoso è quello della sincitina.

La sincitina è una proteina responsabile della formazione di sincizi: cellule multinucleate derivanti dalla fusione di più cellule mononucleate. In particolare, la sincitina è essenziale per lo sviluppo di una struttura detta sinciziotrofoblasto che si trova nella placenta, all’interfaccia con l’utero materno. In assenza di sincitina, l’embrione non può svilupparsi in quanto non è in grado di ricevere nutrienti dalla madre. Da qualche anno è noto che il gene codificante per questa proteina ha origine virale: si tratta del retrovirus endogeno umano HERV-W.

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La sua sequenza è omologa a quella del gene retrovirale env, codificante per le proteine di rivestimento, e a monte si possono identificare i resti dei geni virali gag e pol, non più attivi a causa dell’accumulo di mutazioni: un fossile genetico del retrovirus ERVW-1 rimasto intrappolato nel nostro DNA. Nel retrovirus, la sincitina permetteva la fusione con le cellule, facilitando l’infezione. Questa funzione è stata selezionata nei mammiferi placentati in quanto rende la placenta più invasiva nei confronti dell’utero materno e garantisce un vantaggio evolutivo all’embrione. Confrontando la sincitina in specie diverse, sono state identificate diverse varianti che derivano da eventi di endogenizzazione differenti. 

Oltre alla sua funzione nota nella placenta, recenti studi hanno dimostrato che la sincitina gioca un ruolo importante anche nello sviluppo muscolare: una variante della proteina, l’isoforma sincitina B, è espressa nelle fibre muscolari, anch’esse derivanti dalla fusione di più cellule. Curiosamente, questo meccanismo sembra interessare solo i soggetti di sesso maschile, a suggerire che la sincitina B potrebbe essere determinante nel particolare sviluppo muscolare dei maschi.

L’altra faccia della medaglia 

In realtà, le grandi potenzialità dei retrovirus endogeni nell’evoluzione del genoma comportano anche molti rischi. Le inserzioni più recenti hanno maggiori possibilità di riacquisire la virulenza o di trasferirsi o duplicarsi nel genoma, con effetti potenzialmente dannosi. Sempre più sequenze retrovirali vengono associate all’insorgere di patologie e allo sviluppo di tumori, che possono derivare dall’inattivazione di un gene in seguito all’inserzione di un ERV.

Il retrovirus endogeno HERV-K, noto per essere il più attivo nell’uomo e per il suo ruolo nello sviluppo embrionale, è stato associato alle forme sporadiche di sclerosi laterale amiotrofica (SLA). Mentre si conosce l’origine delle forme genetiche della malattia: la mutazione del gene SOD1, negli altri casi (che sono la maggioranza) la causa scatenante era ignota. In seguito all’osservazione di livelli elevati di trascrittasi inversa nel sangue dei pazienti, la ricerca dei trascritti retrovirali tramite PCR (reazione a catena della polimerasi) ha determinato che essi derivano da HERV-K, un omologo del gene retrovirale pol, e che si concentrano nella corteccia motoria, l’area colpita dalla SLA.

La stessa sincitina, la cui espressione normalmente è consentita solo in alcuni tessuti, sembra essere correlata alla sclerosi multipla: nei malati è stato osservato un suo accumulo negli astrociti, cellule del sistema nervoso centrale in cui non dovrebbe essere espressa.

Infine, a causa della loro potenziale mobilità, le sequenze retrovirali potrebbero portare allo sviluppo di tumori. È interessante notare come un indizio della correlazione tra retrovirus endogeni e tumori sia stato ottenuto, ancora una volta, confrontando tra loro genomi di diverse specie di mammiferi. In particolare, nel corso di uno studio è stata osservata una relazione di proporzionalità inversa tra le dimensioni dell’animale e il numero di ERV nel suo genoma: il topo ne possiede mediamente 3331, l’uomo 348, mentre il delfino solo 55. Poiché gli animali di grandi dimensioni possiedono un maggior numero di cellule, la probabilità che una mutazione porti allo sviluppo di un tumore è maggiore: è stato quindi ipotizzato che una forte pressione selettiva sugli animali più grandi li stia portando ad evolversi per ridurre il numero di retrovirus endogeni e di conseguenza il rischio di mutazioni.

Conosci il tuo nemico

Studiando la parte più misteriosa del nostro DNA, abbiamo individuato questi ospiti (in)desiderati: è sempre più chiaro che i retrovirus endogeni abbiano dato un contributo molto importante all’evoluzione. D’altro canto, si tratta di un meccanismo casuale e pertanto rischioso che può portare a conseguenze dannose per l’organismo infettato. Conoscere il nostro genoma è fondamentale per saper affrontare le minacce nascoste al suo interno: caratterizzare una sequenza ignota può aiutarci a comprendere i meccanismi molecolari alla base di una patologia, così che possiamo sviluppare farmaci contro di essa. Le tecnologie di sequenziamento hanno una grande rilevanza in questo campo, e l’analisi bioinformatica è un aiuto essenziale per trattare la grande mole di dati che viene prodotta. Nei prossimi anni, sempre più genomi verranno sequenziati: animali, piante, microrganismi, altri esseri umani. Il confronto tra genomi diversi è uno strumento molto utile per identificare la funzione di regioni genomiche ancora non caratterizzate.

Tra queste è stata recentemente identificata, nei malati di leucemia mieloide acuta, una sequenza “aliena” di origine non umana. Nei malati si osserva l’eccessiva espressione della proteina WNT10B, la cui alterazione può portare alla proliferazione incontrollata delle cellule. La sequenza di origine ignota è presente in più di metà dei casi analizzati e si trova proprio a monte del gene WNT10B, nella regione del promotore, tipicamente determinante per la regolazione dell’espressione genica.

Grazie al sequenziamento del genoma dei malati è stato possibile identificare una potenziale causa della patologia. Sono ancora necessari approfondimenti per determinare come questa sequenza si sia integrata nel genoma e da quale organismo derivi: si ipotizza che la sua origine potrebbe essere batterica oppure virale, come nel caso di altre leucemie. Nel frattempo, le ricerche future si focalizzeranno sullo sviluppo di farmaci che abbiano come target la sequenza “aliena” per contrastare la malattia.

BIBLIOGRAFIA

 

A cura di Alessio Murgia. Revisionato da Mirko Zago e Ananda Tersariol

 

 

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About the Author : Alessio Murgia

Biotecnologo aspirante bioinformatico, amante della natura e affascinato dalla vita a livello molecolare.


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