Quando il genoma non basta: quante varianti proteiche non scritte nel DNA può produrre una cellula?

Quando pensiamo al rapporto tra genoma e proteoma, il percorso sembra piuttosto lineare, per cui l’informazione genetica contenuta nel DNA viene trascritta in RNA e infine tradotta in una sequenza di amminoacidi che costituisce una proteina. Naturalmente, sappiamo da tempo che in questo percorso intervengono anche altri meccanismi, tra cui lo splicing alternativo (ne avevamo parlato qui) e le modificazioni post-traduzionali, che fanno sì che dai circa 20.000 geni codificanti proteine derivi un numero di proteine decisamente più ampio.

Un articolo appena pubblicato sulla rivista scientifica Nature aggiunge però un ulteriore e solo parzialmente atteso livello di complessità. Vyacheslav Tretyachenko e colleghi del Weizmann Institute of Science hanno, infatti, mostrato che nelle cellule umane possono essere presenti numerose varianti proteiche la cui sequenza non corrisponde a quella codificata dal DNA e che non sembrano derivare da mutazioni presenti nel genoma. Alcune di queste varianti compaiono inoltre ripetutamente negli stessi punti delle proteine, anche in individui differenti, suggerendo che non si tratti semplicemente di errori casuali e che alcune possano avere anche una rilevanza funzionale.

Dal DNA alle proteine, ma con qualche “errore” non completamente casuale

Durante la sintesi di una proteina, il ribosoma legge la sequenza dell’RNA messaggero e utilizza i codoni per stabilire quale amminoacido inserire nella catena in crescita. Questo processo è estremamente accurato, ma non è perfetto, per cui possono verificarsi errori. In particolare, l’incorporazione accidentale di un amminoacido diverso da quello previsto avviene con una frequenza molto più alta rispetto alle mutazioni del DNA o agli errori durante la trascrizione e può rappresentare una fonte importante di varianti proteiche che compaiono non su base genetica.

Questo fenomeno era già conosciuto da tempo, ma sino ad oggi non era stato possibile studiarlo su larga scala nel proteoma umano e soprattutto di distinguere le varianti determinate dal DNA da quelle che compaiono successivamente, durante il passaggio dall’informazione genetica alle proteine.

Vyacheslav Tretyachenko e colleghi hanno analizzato, mediante spettrometria di massa, numerose proteine isolate da tessuti umani sani, confrontandone la sequenza con quella teoricamente presente sulla base delle sequenze degli RNA presenti in quegli stessi campioni. Questo approccio ha permesso di identificare 13.910 sostituzioni amminoacidiche, corrispondenti a 7.215 varianti uniche. Di queste, solo il 38,5% trovava un riscontro anche nei dati di sequenziamento dell’RNA, mentre per il restante 61,5% la sostituzione osservata nella proteina non era presente nell’RNA dello stesso campione.

Pur considerando che il sequenziamento possa non essere riuscito a campionare tutte le possibili mutazioni presenti in un tessuto, tanto più se rare, e che quindi una parte di queste varianti possa derivare da mutazioni somatiche non rilevate, la percentuale di varianti proteiche potenzialmente riconducibili a errori nei processi che portano alla produzione delle proteine rimane veramente elevata, tanto da spingere gli autori a chiedersi se questi errori fossero completamente casuali e quali effetti potessero avere.

Queste varianti proteiche alternative potrebbero essere interpretate semplicemente come prodotti difettosi da degradare in quanto mal funzionanti. Un aspetto sorprendente è che, quando gli autori hanno inibito il proteasoma, cioè uno dei principali sistemi cellulari deputati alla degradazione delle proteine, le forme alternative sono aumentate, suggerendo che molte varianti vengano normalmente riconosciute ed eliminate, ma che questo non accada a tutte.

Andando poi a verificare dove fossero avvenute le sostituzioni aminoacidiche, gli autori hanno osservato che alcuni cambiamenti da un amminoacido a un altro sono molto più frequenti del cambiamento inverso. Inoltre, modificando la disponibilità degli amminoacidi nelle cellule cambiava anche il tipo di errori prodotti, per cui in cellule sottoposte a carenza di triptofano o tirosina aumentano, per esempio, specifiche sostituzioni che coinvolgono questi amminoacidi.

Questo indica che almeno una parte della variabilità proteica osservata dipende dallo stato fisiologico della cellula e dai meccanismi che regolano la traduzione, per cui non siamo di fronte semplicemente a una macchina molecolare che ogni tanto “sbaglia” in maniera completamente casuale.

Esplorando possibilità non previste nel DNA

Come sappiamo, il codice genetico definisce quale amminoacido deve essere inserito in base allo specifico codone presente nell’RNA e gli autori hanno osservato che, tra le varianti con un corrispondente supporto genetico, la grande maggioranza era compatibile, come prevedibile, con la modifica di un solo nucleotide in una singola tripletta.

Le varianti non genetiche mostravano invece un andamento decisamente differente, in quanto quasi un terzo delle sostituzioni osservate avrebbe richiesto almeno due cambiamenti nucleotidici nella stessa tripletta per essere ottenuto attraverso mutazioni e circa il 2% addirittura tre. In altre parole, gli errori di traduzione permettono al proteoma di produrre temporaneamente forme proteiche che il genoma potrebbe raggiungere soltanto attraverso percorsi mutazionali articolati.

Questo non significa naturalmente che le cellule abbiano trovato un modo per “aggirare” le informazioni presenti nel genoma, perché l’informazione continua a essere tradotta attraverso il codice genetico che mette in relazione codoni e amminoacidi. I dati ottenuti indicano però che l’imperfezione della traduzione consente di esplorare uno spazio di sequenze proteiche più ampio rispetto a quello prodotto direttamente dalle varianti presenti nel DNA.

Considerata l’abbondanza delle varianti non genetiche e la loro ricorrenza, gli autori hanno quindi focalizzato l’attenzione sul loro possibile ruolo funzionale e hanno osservato che alcune sostituzioni ricadono in prossimità di siti funzionalmente importanti delle proteine. Ad esempio, quelle localizzate vicino ai siti attivi degli enzimi sono risultate più numerose di quanto atteso casualmente.

Un caso interessante è quello dell’emoglobina, di cui nel complesso sono state osservate 227 varianti a carico sia delle catene α e β e alcune erano ricorrenti in tessuti differenti. In particolare, 27 coincidevano con varianti dell’emoglobina già note per avere conseguenze funzionali e tra queste, 20 erano associate ad un aumento dell’affinità per l’ossigeno e 7 a una sua diminuzione.

Nel complesso, è bene precisarlo, questa pubblicazione non dimostra che tutte le varianti non genetiche siano funzionali e vengano preservate, né che gli errori di traduzione rappresentino normalmente un meccanismo adattativo. Gli autori propongono però che almeno una parte possa rappresentare una classe finora poco considerata di varianti fenotipiche proteiche funzionali, intese come forme diverse di una stessa proteina prodotte senza modificare stabilmente l’informazione genetica.

Un proteoma più imprevedibile del previsto

Questo lavoro non mette in discussione la centralità del DNA, ma rivela l’esistenza di un livello ulteriore, estremamente dinamico, in cui può generarsi variabilità fenotipica. La cellula può, infatti, produrre contemporaneamente la proteina canonica e una serie di versioni alternative, generate senza fissare alcuna modifica permanente nel DNA.

Da un punto di vista evolutivo, le implicazioni sono particolarmente interessanti, in quanto le imperfezioni durante la traduzione possono infatti agire come una sorta di laboratorio di sperimentazione, consentendo al proteoma di “saggiare” nuove varianti nello spazio delle sequenze possibili.

In linea teorica, se una di queste varianti accidentali offrisse un vantaggio in determinate condizioni, una mutazione del DNA che ne aumentasse la probabilità di comparsa durante la traduzione potrebbe essere favorita dalla selezione naturale, anche senza codificarla direttamente. Successive mutazioni potrebbero poi rendere stabile la produzione di quella stessa variante.

Il genoma rimane il “progetto” primario da cui deriva il proteoma, ma a quanto pare non definisce da solo l’intero repertorio di proteine che una cellula può produrre. Per comprendere la diversità di un organismo, quindi, non basta più chiedersi soltanto che cosa sia scritto nel suo DNA, ma occorre guardare anche fino a che punto durante la sintesi proteica si possano generare nuove forme di proteine, ma serviranno altri dati per capire la entità di questo processo.

Riferimento:

Tretyachenko V. et al. (2026) Encoded and non-genetic protein variants expand the human functional proteome, Nature, in stampa.