EVOLUZIONE/ Scommesse sull’eredità: più che i geni, contano i prioni

Uno studio del laboratorio di Susan Lindquist, pubblicato dalla rivista Nature, rivela aspetti molto interessanti sull’eredità biologica e la il ruolo dei prioni, come spiega GIORGIO DIECI

20.02.2012 - Giorgio Dieci
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Foto Imagoeconomica

Nonostante si pensi comunemente che l’eredità dei tratti biologici si basi esclusivamente sull’eredità di specifiche sequenze di DNA, sta diventando sempre più evidente l’importanza, per gli organismi e per l’evoluzione delle specie viventi, della trasmissione “epigenetica” dei tratti biologici. Nel suo uso più frequente, il termine “epigenetica” include tutti  meccanismi di eredità biologica non basati sull’informazione scritta nella sequenza del DNA. I cosiddetti prioni, la cui esistenza è stata ormai dimostrata in molti organismi, compreso l’uomo, si stanno rivelando come un caso estremo di eredità epigenetica, che potrebbe essere destinato a cambiare la nostra visione dell’eredità e dell’evoluzione biologica.

I prioni sono proteine che possono esistere in diverse conformazioni, una delle quali (definita conformazione prionica) ha la straordinaria peculiarità di poter replicare se stessa, agendo come stampo per la conversione alla conformazione prionica di altre molecole della stessa proteina. Per la maggior parte dei prioni (ne sono note alcune decine), questa conformazione auto-propagantesi può essere descritta come un ben ordinato polimero fibrillare, detto anche prione amiloide. Quando in una cellula sono presenti prioni amiloidi, questi possono influenzarne il comportamento e la capacità di sopravvivenza. Nel caso delle malattie neurodegenerative come l’Encefalopatia Spongiforme Bovina (BSE, o Morbo della mucca pazza, il cui studio permise a Stanley Prusiner di scoprire i prioni ed essere insignito per questo del Premio Nobel per la Medicina nel 1997), i prioni producono effetti negativi che sono alla base della malattia stessa.

Ma nel fungo unicellulare Saccharomyces cerevisiae (il comune lievito di birra), e probabilmente in molti altri organismi, senza escludere l’uomo, diversi tipi di prione possono, quando presenti, produrre vantaggi per l’organismo stesso. Studi recenti nel lievito di birra hanno permesso di capire che alcuni prioni amiloidi, che conferiscono alle cellule la capacità di crescere in condizioni avverse, possono essere frammentati in pezzi più piccoli, i quali – ed è questo il punto più rilevante – vengono distribuiti alle cellule discendenti durante la divisione cellulare e, auto-propagandosi in esse, producono nelle cellule figlie la stessa capacità di sopravvivenza in condizioni avverse posseduta dalla cellula madre. In questo modo, possono essere trasmessi/ereditati fenotipi in modo del tutto indipendente dal DNA, attraverso strutture proteiche in grado di replicare se stesse anche in modo transgenerazionale.

Un aspetto affascinante di questi studi, effettuati in buona parte nel laboratorio di Susan Lindquist, al Whitehead Institute for Biomedical Research (Cambridge, Massachusetts), è che la transizione conformazionale che porta ai prioni amiloidi è molto favorita quando le cellule sono sottoposte a stress di vario tipo. Questa risposta all’ambiente mediata dai prioni permette alle cellule di acquisire in modo repentino nuove caratteristiche, la cui capacità globale di conferire vantaggi alle cellule può così essere esplorata, messa alla prova, ed eventualmente selezionata. Il potere che le proteine prioniche hanno di indurre cambiamenti molteplici e rilevanti negli stati cellulari dipende dal fatto che esse funzionano generalmente in punti nevralgici del flusso dell’informazione genetica, pertanto una loro alterazione può produrre effetti sulla concentrazione e sull’attività di migliaia di altre proteine nella cellula.

Uno studio del laboratorio di Susan Lindquist, appena pubblicato dalla rivista Nature (vol. 482, pp. 363-368), mostra ora che molti ceppi di lievito ritrovati in natura (cioè non provenienti da stock di laboratorio) posseggono numerosi prioni, che i prioni inducono effetti, generalmente benefici, in misura molto diversa nei diversi ceppi, e che il fenotipo vantaggioso conferito dai prioni può, in seguito al riassortimento genetico che avviene comunemente durante il processo di meiosi, divenire indipendente dal prione stesso. Tradotta in termini meno tecnici, quest’ultima osservazione significa che i prioni si stanno rivelando come agenti di eredità in grado di produrre, in riposta a stimoli ambientali, nuovi tratti biologici, i quali possono essere trasmessi per generazioni alla progenie, conferendole eventuali vantaggi, e possono, in seguito, essere fissati più stabilmente grazie a cambiamenti genetici successivi.

In questa prospettiva i geni, e più in generale tutta l’informazione genetica scritta nel DNA, si configurano come attori secondari dei cambiamenti evolutivi, mentre per i prioni si intravede un ruolo di protagonisti delle svolte evolutive, secondo una modalità “lamarckiana” di eredità biologica, in cui stati dell’organismo indotti da fattori ambientali (caratteri acquisiti) possono essere memorizzati in strutture proteiche le quali, in virtù di un affascinante processo di auto-propagazione, possono trasmetterli alla progenie in modo indipendente dall’informazione genetica. Questo ambito della ricerca biologica riserva certamente grandi sorprese per il futuro.

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