Esoni, introni e splicing

u Geni a pezzi

Una delle più curiose sorprese che hanno incontrato i genetisti quando hanno iniziato a studiare la struttura dei geni nei genomi complessi è stata quella di constatare che i geni sono a pezzi. In precedenza, lavorando su genomi semplici, quali quelli dei batteri, i genetisti avevano identificato i geni come strutture continue di triplette nucleotidiche che, basandosi sulla corrispondenza triplette/aminoacidi (codice genetico), codificavano senza interruzioni la proteina corrispondente. Negli organismi superiori invece, i genetisti notarono, confrontando l'RNA messaggero (RNAm) che era trascritto a partire dal gene, con la sequenza del DNA, che questa era spezzettata. In altre parole, scorrendo la sequenza del DNA e confrontandola con l'RNA messaggero, si individuava un tratto di DNA effettivamente ricopiato nell'RNAm, a cui faceva seguito un tratto non ricopiato e poi un secondo tratto che combaciava, seguito da un secondo pezzetto assente, e così via. Ci si è poi resi conto che il DNA veniva interamente copiato in una sequenza di RNA, ma che da questo lungo trascritto veniva poi derivato l'RNAm maturo, tramite un processo di eliminazione delle parti non codificanti.

Il pezzo di DNA che codifica e viene incluso nell'RNAm venne chiamato "esone", mentre le sequenze inserite tra gli esoni vennero chiamati "introni". Il processo con cui questi pezzi venivano eliminati venne chiamato splicing. Pertanto, nel DNA dei mammiferi un gene è composto da un certo numero di esoni e di introni. Gli introni possono essere di dimensioni molto varie, e alcuni sono in effetti giganteschi, dell'ordine di centinaia di migliaia di basi. Come questi vengano rimossi durante la maturazione dell'RNAm, rimane un mistero, anche se alcuni passaggi cominciano ad essere noti: ad esempio è noto che generalmente gli esoni sono delimitati da due nucleotidi, un GT e un AG, ma che questo da solo non è sufficiente a definire l'esone. Si tratta comunque di un processo estremamente preciso, che deve identificare un piccolo esone di qualche decina o centinaia di basi in mezzo a una regione cromosomica che può essere di centinaia di migliaia di basi. Ed in effetti, se questi meccanismi vengono meno, come succede ad esempio quando le sequenze GZ e AG vanno incontro a mutazione, gli esoni non vengono riconosciuti in maniera appropriata e ne deriva la produzione di un RNA anomalo, che non è in grado di produrre la proteina normale: è quanto succede in numerose pazienti affetti da malattie genetiche.

u Il vantaggio della struttura frammentata

Vista la complessità legata alla produzione di sequenze corrette di RNAm, ci si può chiedere come mai l'evoluzione abbia consentito la comparsa di meccanismi così sofisticati, che possono talora provocare un danno alla cellula. In altre parole, qual è il vantaggio selettivo che deriva dall'organizzazione a pezzi del genoma? Non lo sappiamo con precisione, ma sembra assai probabile che i geni a pezzi consentano una maggior versatilità dell'espressione genica: in questo modo, partendo da un solo gene, è possibile produrre RNA assemblati da varie combinazioni di segmenti ("splicing alternativo") che quindi saranno diversi tra loro e produrranno perciò proteine diverse tra loro. Il vantaggio selettivo sarebbe pertanto dovuto al fatto che da un solo gene può venir prodotto un certo numero di proteine che svolgono funzioni diverse.

u Proteine modulari e bricolage

Inoltre, questa struttura spezzettata è stata presumibilmente utile dal punto di vista evoluzionistico per la creazione di nuovi geni. Oggi sappiamo che le proteine sono spesso "modulari", cioè possono essere viste come strutture composite formate da vari segmenti che hanno una certa funzione. La struttura a pezzi consente all'evoluzione di produrre nuove combinazioni di questi segmenti, che saranno poi selezionate sulla base della loro nuova funzione che potrà essere vantaggiosa o svantaggiosa per l'economia cellulare: il nuovo gene, cioè, verrà mantenuto o eliminato sulla base della sua utilità. Il disporre di geni assemblati da pezzi già esistenti semplifica molto il compito della natura, che altrimenti dovrebbe partire dal nulla e creare un gene completamente nuovo. Per questo motivo, si dice che la natura è parsimoniosa e che uno dei meccanismi fondamentali dell'evoluzione è quello di fare del bricolage, cioè di riutilizzare tutto ciò che ha a disposizione senza scartare mai nulla.