microRNA e cervello
microRNA e cervello
I microRNA (miRNA) costituiscono una famiglia di piccoli RNA non codificanti, a singolo filamento, di 20÷22 nucleotidi, i cui geni costituiscono circa l’1÷2% del genoma di invertebrati, piante e vertebrati. La loro scoperta ha aggiunto un ulteriore livello di complessità e versatilità ai molteplici livelli di regolazione della espressione genica, elemento fondamentale per la funzione delle cellule nervose, in stretto rapporto con l’attività sinaptica. I miRNA esercitano una regolazione postrascrizionale della espressione genica, reprimendo la traduzione di RNA messaggeri bersaglio, oppure inducendone la degradazione. Si valuta che ciascun miRNA possa interagire con più di 200 mRNA bersaglio e, viceversa, che un singolo mRNA possa essere regolato da molteplici miRNA. Pertanto, i miRNA e i loro mRNA bersaglio costituiscono un complesso circuito regolatorio, che modula l’espressione genica di una cellula a livello postrascrizionale. Si stima che circa un terzo del genoma espresso possa essere il bersaglio postrascrizionale del sistema dei miRNA.
Biogenesi e meccanismo d’azione dei miRNA
I miRNA vengono trascritti, in generale, grazie all’enzima RNA polimerasi II, generando un lungo trascritto iniziale primario (pri-miRNA), nel quale il miRNA maturo è parte di una struttura a forcina (hairpin) di 60÷80 nucleotidi; la maturazione del miRNA inizia nel nucleo, con la escissione di questa forcina. Il primiRNA viene esportato dal nucleo al citoplasma, dove viene tagliato dall’enzima Dicer, che rimuove la struttura ad ansa della forcina, lasciando il frammento a doppia elica miRNA:miRNA*. Dicer interagisce con numerose altre proteine, a formare il complesso ribonucleico effettore RISC (RNA-Induced Silencing Complex), che carica un filamento miRNA, mentre il filamento complementare miRNA* viene rimosso e degradato. Il miRNA maturo, associato al complesso RISC, interagisce con gli mRNA bersaglio, legandosi a sequenze complementari nella loro regione non tradotta 3'-UTR (UnTranslated Region), determinandone l’inibizione della traduzione o la degradazione, a seconda del grado di accoppiamento complementare.
Ruolo dei miRNA nello sviluppo, differenziamento e identità cellulare del cervello
Nel cervello vi è una elevatissima complessità dell’espressione dei miRNA, molti dei quali sono lì espressi selettivamente. Un primo ruolo significativo dei miRNA neuronali riguarda la regolazione del differenziamento e mantenimento della identità neuronale. Un cambiamento drammatico nel programma di espressione genica ha luogo nel corso del differenziamento neuronale (➔). Il contributo generale del sistema dei miRNA allo sviluppo neuronale è stato studiato in vari modelli di vertebrato (dallo zebrafish al topo), in condizioni in cui l’enzima Dicer è assente. Ne emerge che il sistema dei miRNA non è, in generale, indispensabile nelle fasi precoci di sviluppo neuronale, mentre invece è cruciale nel determinare l’espressione di un fenotipo neuronale differenziato. Questa conclusione contrasta con ciò che è stato visto negli invertebrati, dove singoli miRNA hanno un chiaro ruolo istruttivo anche nella specificazione neuronale, avendo come bersaglio fattori trascrizionali regolatori chiave. Molti miRNA sono specifici del sistema nervoso dei mammiferi, e hanno un’espressione differenzialmente modulata nel corso dello sviluppo. Il miRNA-124, che costituisce il 25% di tutti i miRNA nel cervello, inibisce l’espressione di mRNA non neuronali e contribuisce ad affinare un profilo di espressione di tipo neuronale, inserendosi in un circuito regolatorio a feedback negativo.
miRNA, plasticità sinaptica e spine dendritiche
Cambiamenti duraturi nei circuiti nervosi e nell’efficacia delle sinapsi costituiscono il substrato cellulare di processi quali memoria e apprendimento. Nei fenomeni di plasticità sinaptica, la transizione da breve a lungo termine coinvolge in modo importante l’espressione genica, con la mediazione del fattore di trascrizione neuronale CREB (CAMP Responsive Element Binding protein); la trascrizione di molti miRNA neuronali, infatti, è regolata dall’attività elettrica, sotto il controllo trascrizionale di CREB. A sua volta, il mantenimento della specificità sinaptica, nei fenomeni di plasticità, richiede necessariamente che la cellula nervosa possa controllare e regolare selettivamente la composizione proteica della sue sinapsi, in funzione del loro stato di attivazione. Il controllo locale della sintesi proteica richiede la repressione della traduzione dei corrispondenti mRNA trasportati nel compartimento dendritico, in un complesso ribonucleoproteico detto granuli di RNA, e la riattivazione sinapsi-specifica della loro traduzione. Una delle proteine coinvolte nella repressione traduzionale degli mRNA dendritici è la proteina FMRP (Fragile X Mental Retardation Protein), coinvolta nella sindrome genetica X fragile, una delle più comuni forme di ritardo mentale. Un numero sempre maggiore di studi mostra il ruolo diretto dei miRNA in questo controllo traduzionale e quindi nella plasticità sinaptica.
Controllo dell’espressione sinaptica di mRNA dendritici
I miRNA potrebbero essere le molecole intermediarie che indirizzano gli mRNA a essere impacchettati nei granuli di trasporto dendritico, così da reprimerne la traduzione durante il trasporto per poi attivarla in funzione dell’attività sinaptica. Un’evidenza diretta tra la funzione di miRNA e la plasticità sinaptica viene da recenti studi in un modello sperimentale di apprendimento olfattivo in Drosophila, in cui è stato dimostrato il coinvolgimento del sistema dei miRNA nella memoria a lungo termine, mediato dalla regolazione locale della sintesi proteica a livello sinaptico.
Coinvolgimento dei miRNA nella morfogenesi e regolazione delle spine dendritiche
La maggior parte delle sinapsi eccitatorie si forma sulle spine dendritiche. Le spine dendritiche hanno una ragguardevole plasticità morfologica: le loro variazioni di forma, dimensione e numero costituiscono un importante substrato per le modificazioni strutturali che intervengono nei fenomeni di plasticità sinaptica a lungo termine. È significativo quindi che si siano trovati vari miRNA neuronali, a localizzazione dendritica, coinvolti nella regolazione della morfogenesi delle spine dendritiche, in funzione dell’attività sinaptica. Uno di questi, miRNA-134, limita la crescita della spina dendritica inibendo la traduzione sinaptica locale della proteina LimK1, un regolatore importante della dinamica dell’actina citoscheletrica delle spine dendritiche. Il blocco traduzionale dell’mRNA di LimK1 è superato dalla attività sinaptica e dalla neurotrofina BDNF, mostrando che l’attività del miRNA-134 può essere regolata bidirezionalmente nel corso della plasticità sinaptica.
Possibile ruolo dei miRNA nelle alterazioni patologiche del cervello
Nell’insieme, si conclude che i miRNA contribuiscono alla regolazione fine della sintesi proteica sinaptica, e quindi della plasticità, modulando espressione, vita media e traducibilità degli mRNA dendritici. Le possibili conseguenze derivanti da alterazioni patologiche di questa regolazione fine sono evidenti. Numerosi studi identificano significative associazioni tra una alterata espressione di specifici miRNA e patologie neurologiche, psichiatriche e neurodegenerative, e soltanto una caratterizzazione sistematica dei profili di espressione dei miRNA nelle aree cerebrali, insieme con una definizione sistematica dei bersagli di ciascun miRNA, permetterà di comprendere la logica dei complessi circuiti regolatori, le loro alterazioni e le potenziali opportunità diagnostiche e terapeutiche.