Retroni: una nuova arma di difesa batterica

Il  “sistema immunitario” batterico

Il sistema immunitario è importante per l’organismo perché rappresenta un sistema di difesa contro gli attacchi di agenti patogeni. Nell’uomo, il sistema immunitario agisce principalmente attraverso cellule implicate nella risposta immunitaria. Anche i batteri presentano un proprio sistema immunitario che li difende dagli attacchi da parte dei fagi, i virus che infettano i batteri. Uno dei sistemi di difesa batterica molto conosciuto oggi è CRISPR-Cas9, divenuto famoso come metodica di genome editing. Oggi un altro tassello si aggiunge: i retroni.

La scoperta dei retroni

Lo studio, che ha portato all’identificazione dei retroni, è stato condotto presso il dipartimento di genetica molecolare del Weizmann Institute of Science. Il risultato è stato pubblicato su Cell con il titolo di “Bacterial Retrons Function in Anti-Phage Defense”.

Il professor Rotem Sorek, PhD, e il suo gruppo di ricerca si sono imbattuti casualmente nei retroni, mentre cercavano altri elementi in grado di difendere la cellula batterica dai virus. In particolare, la loro attenzione si era focalizzata su uno specifico punto del genoma batterico: le isole di difesa. Lo stesso gruppo del professor Sorek aveva infatti scoperto come i geni batterici implicati nella difesa si concentrassero tutti all’interno di determinati punti del genoma, le isole di difesa per l’appunto.

Analizzando queste regioni del genoma, si sono imbattuti in un particolare costrutto, il retrone, che ha attirato la loro attenzione. I ricercatori hanno quindi indagato ulteriormente cercando costrutti simili in altre isole di difesa. In questo modo, hanno identificato ben 5000 retroni nelle isole di difesa di differenti specie batteriche.

Che cosa sono i retroni?

I retroni sono elementi genetici, molto presenti nei batteri, costituiti da tre elementi: una trascrittasi inversa (RT), un RNA non codificante (ncRNA) e una proteina effettrice. La RT utilizza l’ncRNA come stampo per generare un ibrido di RNA/DNA, in cui i due acidi nucleici sono legati covalentemente (Figura 1).

Questi elementi sono situati nelle isole di difesa accanto a geni di difesa già noti (Figura 1). Questo evidenzia, quindi, come ogni retrone sia sempre fisicamente e funzionalmente collegato a un altro gene. Infatti, la mutazione nel gene o nel retrone, rende il batterio meno capace di difendersi dagli attacchi dei fagi.

Struttura dei retroni
Figura 1 – A sinistra è possibile vedere la struttura del retrone e come si ottiene l’ibrido RNA/DNA. A destra è possibile vedere come i retroni siano collocati accanto ad altri geni. [Credits: Millman, A. et al.]

Come fanno i retroni a difendere la cellula batterica?

Per valutare se effettivamente questi elementi funzionassero come meccanismi di difesa, i ricercatori hanno “trapiantato” i retroni, uno per volta, all’interno di cellule batteriche che ne erano prive. In questo modo, hanno visualizzato i retroni in azione.

Hanno potuto così individuare il meccanismo di azione utilizzato da questi elementi, in particolare dal retrone Ec48. I retroni, in seguito all’infezione, inducono la morte cellulare per apoptosi (Figura 2). Questa pratica per molto tempo è stata considerata una esclusiva degli organismi pluricellulari, per cui, in seguito a infezione, veniva indotta la morte della cellula per evitare l’infezione delle cellule vicine. Se questo meccanismo funziona abbastanza velocemente, infatti, si ha la morte della cellula ancor prima che il virus sia riuscito a replicare.

Nell'immagine è possibile vedere cosa accade in cellule che presentano retroni e cellule prive di retroni dopo infezione
Figura 2 – Nell’immagine è possibile vedere cosa accade in una cellula di Escherichia coli che ha ricevuto i retroni (in alto) e priva di retroni (in basso). In alto è possibile visualizzare come 15 minuti dopo l’infezione alcune cellule vadano incontro a morte cellulare, indicata dai fori a livello della membrana (in rosso). Dopo 45 minute la maggior parte delle cellule risulta morta. In basso, invece, 15 minuti dopo l’infezione tutte le cellule sembrano stare bene. 45 minuti dopo l’infezione, la cellula infetta è morta, ma ha espulso le nuove particelle virali. [Credits: Millman, A. et al.]

Nel caso dei batteri, i retroni non riconoscono direttamente l’infezione, ma controllano un altro sistema di difesa batterico già noto, RecBCD. Se questo risulta manomesso, sarà probabilmente sinonimo di infezione fagica. Per cui partirà un meccanismo di attivazione di geni che inducono la morte cellulare (Figura 3). I retroni, quindi, si attivano nel momento in cui le prime linee di difesa del batterio vengono meno, a causa della loro inibizione da parte degli stessi fagi.

Meccanismo di azione dei retroni
Figura 3 – Nell’immagine è possibile vedere il meccanismo di azione dei retroni, in particolare del retrone Ec48. [Credits: Millman, A. et al.]

La morte di una cellula per il bene dell’intera colonia

Questo meccanismo di difesa risulta essere una strategia molto intelligente per i batteri che nella maggior parte dei casi vivono in colonie. Infatti, la morte di una cellula infetta è fonte di sopravvivenza per la colonia.

Un meccanismo simile è già ampiamente conosciuto nelle piante. Anche in questo caso, le cellule vegetali infette vanno incontro ad una “infezione abortiva”, in cui, nel tentativo di salvare la pianta stessa, viene indotta la morte di una piccola regione di una foglia o di una radice.

L’utilizzo dei retroni da un punto di vista biotecnologico

Proprio come nel caso di CRISPR-Cas9, anche i retroni sembrano avere un futuro in ambito biotecnologico. Infatti, la presenza di un ncRNA, li rende uno stampo molto utile per la sintesi di un nuovo filamento di DNA. Per questo motivo, la struttura del retrone potrebbe fungere da base, con il cambiamento, di volta in volta, della sequenza nucleotidica.

Ulteriori studi sono però necessari per riuscire ad aggiungere questo altro tassello alle metodiche di genome editing.

Emanuela Pasculli

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