di Raffaele Dello Ioio e Gaia Bertolotti

Come suggerisce il nome, i microRNA sono piccole molecole di acido ribonucleico, o RNA, la cui scoperta ha suscitato grande interesse nel mondo della ricerca. I microRNA, infatti, regolano molti processi fisiologici in diversi organismi e sono correlati all’insorgenza di diverse malattie umane ereditarie e tumorali. La scoperta di queste molecole risale al 1993, nei laboratori di Ambros e Ruvkun, durante lo studio dello sviluppo delle larve del nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans), noto sistema modello tutt’ora utilizzato nella biologia dello sviluppo. Questi scienziati scoprirono che lin-4, una molecola di RNA di soli 22 nucleotidi, non “codificava” per nessuna proteina, svolgendo comunque un ben precisa attività regolativa durante lo sviluppo della larva di C. elegans. In particolare, Ambros e Ruvkun osservarono che nematodi mutanti a perdita di funzione del gene lin-4 generavano larve incapaci di procedere verso stadi larvali adulti. Con grande sorpresa identificarono altre molecole di RNA non codificanti necessarie per il corretto sviluppo di C. elegans: in seguito a questa scoperta, i ricercatori di ogni campo della biologia tentarono per molto tempo di trovare altre molecole come lin-4 in altri sistemi modello e, soprattutto, cercarono di comprenderne il meccanismo di azione in vivo. Vennero, così, scoperte molte altre molecole di RNA non codificanti che sembravano svolgere funzioni analoghe a lin-4, definite in generale “non coding RNA”, o RNA non codificanti. Successivamente, grazie anche all’evolversi delle tecnologie nel campo della genetica e della biologia molecolare, si comprese il ruolo e il meccanismo di azione di queste molecole. Brevemente, gli RNA non codificanti bloccano la produzione di proteine bersaglio tramite il cosiddetto “silenziamento genico”. Un fenomeno legato all’appaiamento di queste molecole con nucleotidi complementari di prodotti dalla trascrizione genica, gli RNA messaggeri, o mRNA. Come è noto in biologia molecolare, tale fenomeno impedisce il legame degli mRNA ai ribosomi, impedendo la sintesi della proteina corrispondente. La presenza degli RNA non codificanti spiegava molti fenomeni biologici a cui non si riusciva ancora a dare un senso. Non stupisce, dunque, che nel 2006 due ricercatori americani, Andrew Fire e Craig Mello, vinsero il Nobel per la Medicina e la Fisiologia per aver descritto minuziosamente il processo molecolare del silenziamento genico in C. elegans. L’assegnazione di questo premio, tuttavia, suscitò varie controversie. In pochi, infatti, sanno che, contemporaneamente alla scoperta degli RNA non codificanti nel mondo animale, diversi biologi vegetali, tra cui Sir David Baulcombe, professore dell’Università di Cambridge, avevano scoperto tali molecole in pianta e ne avevano descritto l’attività. Già nel 1990, infatti, era stato osservato che la differenza nel colore dei petali di due varietà di petunia derivava da un fenomeno definito all’epoca “co-soppressione”. Come molte delle scoperte avvenute nel corso della storia della biologia molecolare, il fenomeno della co-soppressione venne identificato per pura casualità: studiando un modo per ottenere delle piante di petunia con un colore dei petali più intenso, i ricercatori generarono delle piante transgeniche in grado di produrre più copie del trascritto della calcone sintasi, un enzima responsabile del colore dei petali, rispetto a piante che si trovano in natura. Il risultato fu decisamente inaspettato: gli scienziati ottennero delle piante che possedevano petali bianchi. Attraverso analisi di espressione genica, scoprirono che in queste piante l’mRNA della calcone sintasi era soggetto a silenziamento genico. Il processo molecolare da loro proposto fu lo stesso di quello descritto da Fire e Mello. Capirono che le copie extra di calcone sintasi avevano innescato la sintesi di RNA complementari all’RNA messaggero di tale enzima. L’appaiamento di queste molecole portava alla formazione di RNA a doppio filamento che venivano immediatamente degradati nelle cellule vegetali. Per questo motivo, non potendo essere prodotta la calcone sintasi gli antociani, responsabili della colorazione porpora dei petali di Petunia, non venivano sintetizzati e si generavano fiori bianchi. Successivamente si comprese che ogniqualvolta una pianta viene infettata da una molecola di RNA virale si attiva il meccanismo di silenziamento. 

Nell’ultimo decennio è stato scoperto che i microRNA ricoprono un ruolo centrale nello sviluppo vegetale. Infatti, Il fenomeno del silenziamento genico mediato da piccoli RNA è fondamentale per la plasticità delle piante. Essendo organismi sessili, le piante hanno evoluto un’alta capacità di rispondere rapidamente agli stimoli ambientali per sopravvivere a stress biotici e abiotici. È stato ampiamente dimostrato che nelle piante l’attività dei microRNA viene repentinamente variata in risposta a stimoli esterni, generando variazioni nella crescita degli organi. 

Attraverso gli studi nella pianta modello Arabidopsis thaliana è stato scoperto che i microRNA regolano non solo la crescita plastica e la risposta ai patogeni ma anche lo sviluppo robusto, ossia la capacità di preservare un determinato schema di sviluppo indipendentemente dall’ambiente esterno. Ad esempio, è noto che nelle piante il posizionamento dell’asse gemma-radice o l’asse dorso-ventrale delle foglie sono dipendenti dai microRNA. La mancanza della regolazione da parte dei microRNA, difatti, causa trasformazioni di radici in fusto nell’embrione vegetale o di parte ventrale in dorsale nelle foglie. Si comprese successivamente che i microRNA possono avere attività di morfogeni, sostanze distribuite in gradienti in grado di fornire le informazioni necessarie alle cellule per costituire forme. I microRNA, infatti, si possono muovere di cellula in cellula attraverso i plasmodesmi, generando gradienti opposti degli stessi e degli mRNA bersaglio. Tuttora non è noto se vi siano meccanismi molecolari che promuovano e mantengano la formazione di gradienti di miRNA. La formazione di tali gradienti è stata fondamentale durante l’evoluzione per la generazione delle svariate forme in natura.  Ad esempio, è stato recentemente osservato che la variabilità fenotipica tra le radici di due piante filogeneticamente vicine, Arabidopsis thaliana e Cardamine hirsuta, deriva dall’evoluzione di una diversa distribuzione dei gradienti di microRNA nei tessuti delle rispettive radici di queste due specie. 

La scoperta dei microRNA in pianta è stata, dunque, rivoluzionaria in quanto ha aperto le porte alla ricerca di base e applicativa e ha portato innovazione in vari campi, tra cui in quella che viene definita “ingegneria genetica”. Grazie all’utilizzo di queste molecole, infatti, è possibile studiare sia in sistemi modello animali che in pianta la funzione di un gene silenziandolo e analizzandone il fenotipo risultante. L’utilizzo dei microRNA, oggi, si è esteso ampiamente anche nella ricerca medica e in diagnosi. La storia della scoperta dei microRNA, dunque lascia riflettere sul fatto che la pressione selettiva ha permesso l’evolversi in maniera indipendente di molecole in grado di svolgere la stessa azione in organismi di regni differenti. Sia nel mondo animale che vegetale, infatti, i microRNA hanno contribuito allo sviluppo di diverse morfologie, regolano l’omeostasi dell’intero organismo e guidano lo sviluppo embrionale di quest’ultimo. Ciò insegna che le scoperte fatte su un sistema modello possono essere di forte impatto sulle ricerche svolte su altri organismi e che l’integrazione di tutte le conoscenze ottenute nei vari campi della ricerca è alla base di una consapevolezza più completa di ciò che ci circonda.

Immagine in evidenza: Particolare della facciata dello storico edificio della Facoltà di Architettura ad opera del maestro dell’architettura moderna Enrico Del Debbio. ©Mattia La Torre