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La modellizzazione bioinformatica della regolazione dell’espressione genica

La trascrizione è il processo di creazione di RNA dal DNA stampo nella cellula. Il progetto PROMOTER PREDICTIONS, finanziato dall’UE, ha studiato il processo della regolazione della trascrizione nei batteri, servendosi della bioinformatica e della modellizzazione biofisica.
La modellizzazione bioinformatica della regolazione dell’espressione genica
La trascrizione consente di sintetizzare prodotti genici funzionali e fornisce un importante punto di controllo in tale processo. Nei batteri, la trascrizione è evidenziata dalla polimerasi del RNA dell’enzima (RNAP), che lega i promotori attraverso il fattore sigma e dà inizio alla trascrizione nei siti di avvio della trascrizione (TSS). Una conoscenza esatta dei TTS è il primo passo indispensabile per comprendere la trascrizione e il suo controllo. Tuttavia, i metodi bioinformatici disponibili per rilevare i TSS sono inficiati da imprecisioni, a causa di una grossa quantità di risultati falsi positivi.

Il progetto PROMOTER PREDICTIONS (Bioinformatic analysis of transcription regulation: a modelling approach) riduce notevolmente i risultati falsi positivi nella misura di circa il 50 %, attraverso l’analisi sistematica degli elementi promotori di sigma 70 nei batteri dell’Escherichia coli (E. coli). I ricercatori hanno applicato un nuovo modello mix-and-match per ottenere il riconoscimento di promotori e la specificità quantificata esattamente di RNAP per elementi promotori di sigma 70, attraverso le corrispondenti matrici dei pesi, le quali hanno contribuito a produrre elementi promotori allineati con adeguata attività di trascrizione, identificando anche con esattezza promotori forti in un genoma batteriofago appena sequenziato.

Per comprendere più a fondo i motivi della persistenza di risultati falsi positivi, i ricercatori hanno analizzato computazionalmente la cinetica dell’inizio di trascrizione da parte di RNAP nel genoma dell’E. coli. Hanno scoperto che nel genoma esiste una quantità di promotori stabiliti che però non determinano una trascrizione funzionale, a causa di un’apertura lenta dei due filamenti del DNA. Lo sviluppo di un nuovo metodo, finalizzato a rilevare geni bersaglio diretti di un determinato regolatore, ha condotto a un livello maggiore di precisione nella predizione.

Per comprendere meglio i circuiti regolatori di trascrizione nei batteri, i ricercatori hanno modellizzato il processo di trascrizione di brevi ripetizioni palindrome aggregate regolarmente distanziate (CRISPR), all’interno del sistema immunitario batterico CRISPR/Cas. Il processo di trascrizione è una fase cruciale nel controllo dell’espressione di piccole molecole di RNA che riconoscono i virus invasori. I risultati della ricerca hanno favorito lo sviluppo di un nuovo circuito di geni di sintesi, per una vasta produzione di molecole utili ricavate da piccole concentrazioni di substrati.

Le conclusioni della ricerca PROMOTER PREDICTIONS sono state pubblicate in 9 giornali sottoposti a valutazioni paritaria e sono state presentate in occasione di una conferenza regionale e tre conferenze internazionali. L’analisi del progetto ha consentito di approfondire notevolmente la comprensione sull’avvio della trascrizione e ha migliorato la precisione della rilevazione di TSS. Le metodologie sviluppate potrebbero anche essere adottate in altri settori di ricerca, ad esempio le malattie infettive.

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Keywords

Modellizzazione bioinformatica, regolazione della trascrizione, sito di inizio della trascrizione, Escherichia coli, CRISPR/Cas