Solo negli ultimi due decenni si è scoperto che alcuni tipi di RNA sono in grado di svolgere funzioni complesse come la regolazione dell'espressione dei geni e l'innesco di reazioni chimiche, e fra questi vi sono appunto i riboswitch.
Scoperti otto anni fa, i riboswitch sono corti filamenti di RNA che interagiscono con l'mRNA di proteine coinvolte nel metabolismo energetico della cellula che agiscono legandosi ai metaboliti. A seconda della quantità di legami che stabiliscono, accendono o spengono la produzione della corrispondente proteina.
I riboswitch, per definizione, sono elementi di RNA non coding che regolano in cis l’espressione dei geni presenti upstream o downstream, in seguito al legame con dei specifici metaboliti. Dalla definizione sembra qualcosa di estremamente complesso ma non preoccuparti, siamo qui per chiarire le idee.
Per completezza di informazione, è necessario ricordare che i riboswitch sono uno dei meccanismi di regolazione dell’espressione genica più utilizzato dai procarioti sopratutto al livello dei messaggeri policistronici.
Il suo fabbisogno è di circa 0,4 mg ogni 1000 kcal ingerite. La vitamina B1 alimentare può avere funzione di precursione coenzimatica o extracoenzimatica. Tutti gli organismi usano la vitamina B1, ma come abbiamo detto essa viene prodotta de novo solo da batteri, funghi e piante. Gli animali devono ricavarla dalla dieta; quindi, per l'uomo, è un nutriente essenziale.
La vitamina B1 fu scoperta nel 1897. La vitamina B1 è un composto organico sulfuroso incolore con formula chimica C12H17N4OS. La sua struttura è composta da un'aminopirimidina e un anello tiazolico collegati da un ponte metilene. La vitamina B1 è solubile in acqua (idrosolubile), metanolo e glicerolo, ma praticamente insolubile in altri solventi organici.
Le vie biosintetiche della vitamina B1 sono regolate da riboswitch, cioè tramite un corto filamento di RNA in grado di legare direttamente una piccola molecola bersaglio, e come effetto di questo legame modulare avverrebbe l'espressione di un gene. Se nella cellula è presente una quantità sufficiente di tiamina, questa si lega agli mRNA degli enzimi necessari e ne impedisce la traduzione. Se invece non è presente, non vi è alcuna inibizione e vengono prodotti gli enzimi necessari per la biosintesi.
Il Ruolo Complesso dei Riboswitch
Lo studio ha mostrato che i "riboswitch" a RNA di recente scoperta hanno un ruolo più complesso di quanto ritenuto. Finora si riteneva che ciascuno di questi modulatori dell'attività genica fosse tale da legarsi in modo specifico a un singolo metabolita, rispondendo alla sua più o meno elevata concentrazione. Il nuovo studio mostra invece che uno specifico riboswitch non risponde a un singolo metabolita, ma a diversi di essi.
"Lo studio chiarisce come una singola molecola di RNA possa integrare sia segnali cellulari positivi che negativi, ampliando lo spettro delle capacità note dei riboswitch", ha detto Martha Fedor, che ha diretto la ricerca.
In particolare i ricercatori stavano studiando il riboswitch che si lega al glucosammino-6-fosfato, un composto costitutivo di molti glicosidi e glicani necessari alla formazione della parete cellulare nei batteri. Nel corso della ricerca si sono però accorti che questo interruttore molecolare può legarsi anche al glucosio-6-fosfato, con effetti peraltro opposti. Il legame con il primo composto induce l'autodistruzione del riboswitch e silenzia il gene per il glucosammino-6-fosfato, mentre il legame con il glucosio-6-fosfato mantiene integro il riboswitch e attiva il gene glmS.
Meccanismi di Regolazione dei Riboswitch
I riboswitch possono agire in due modi.
Esistono due categorie di riboswitch: categoria I e categoria II. Le differenze tra le due categorie riguardano le modalità con le quali essi si strutturano.
Tale riboswitch, studiato in Vibrio Cholerae e Bacillus Subtilis, regola l’espressione di proteine coinvolte nel catabolismo della glicina. Esso è presente a monte di un operone policistronico e si caratterizza per la presenza di ben due aptameri. Quando all’interno del batterio i livelli di glicina sono molto bassi, il suo destino è già scritto: l’amminoacido è destinato alla costruzione della proteine. Quando i livelli di glicina sono bassi, nell’operone policistronico (che contiene i geni codificanti per proteine del catabolismo della glicina) si forma una struttura secondaria a forcina che impedisce l’evento trascrizionale. All’incrementare dei livelli di glicina qualcosa cambia. La glicina inizia a legarsi al primo aptamero che va incontro a cambiamenti conformazionali che, a catena, coinvolgono anche il secondo aptamero. Queste modifiche giungono anche a livello della piattaforma di regolazione (proprio dove si era formata la struttura secondaria che fungeva da terminatore trascrizionale), permettendo la trascrizione dell’operone. Il metabolita quindi, quando presente ad alte concentrazione permette di “accendere” il riboswitch.
Esiste però, un meccanismo di regolazione negativo.
Efficace e rapida modulazione dell’espressione genica. I messaggeri sono già presenti all’interno della cellula e questi possono essere modulati positivamente o negativamente a seconda della concentrazione di metabolita.
Implicazioni e Applicazioni dei Riboswitch
Dato che questi interruttori molecolari sono composti che abbondano particolarmente nei batteri, lo studio potrebbe avere ricadute applicative per la messa a punto di nuovi antibiotici contro le infezioni batteriche.
In conclusione, i riboswitch sono una grande risorsa per i batteri ma non solo. Negli ultimi anni infatti, una branca della biologia sintetica sta spostando l’attenzione su un loro possibile utilizzo come piattaforma per il riconoscimento di ligandi e per il targeting molecolare.
La regolazione dell'espressione genica
La vitamina B1 si trova in molti cibi (vegetali e animali) ma a concentrazioni limitate. Negli Stati Uniti, le carenze di vitamina B1 sono diventate comuni nella prima metà del XX secolo a causa dell’uso esclusivo di farina bianca. La "American Medical Association" ha suggerito di ripristinare il contenuto di queste vitamine attraverso la fortificazione del grano, iniziato negli Stati Uniti nel 1939. Il Regno Unito si è accodato nel 1940 e la Danimarca nel 1953.
Negli alimenti la vitamina B1 può essere degradata in vari modi. I solfiti, che vengono aggiunti solitamente come conservanti, attaccano la tiamina sul ponte del metilene, tagliando l’anello pirimidinico dall’anello tiazolico. La vitamina B1 può essere degradata dalle tiaminasi termolabili presenti nel pesce e nei molluschi crudi. Alcune tiaminasi vengono prodotte anche dai batteri.
Nei casi meno gravi, i segni non specifici di carenza di vitamina B1 includono: malessere, perdita di peso, irritabilità e confusione. Le donne incinte hanno un fabbisogno superiore e quindi un maggior rischio di carenza - anche se le conseguenze sono identiche a quelle per la popolazione generale. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che la vitamina B1 viene inviata preferibilmente al feto e alla placenta, specialmente durante il terzo trimestre di gravidanza. Nei paesi occidentali, la carenza di vitamina B1 si manifesta principalmente nell’alcolismo cronico (abuso di alcolici), con encefalopatia di Wernicke.
Sono a maggiore rischio gli anziani, le persone con HIV / AIDS o diabete mellito tipo 2 e le persone sottoposte chirurgia bariatrica.
La vitamina B1 viene rilasciata dall’azione della fosfatasi e della pirofosfatasi nell’intestino tenue superiore. A basse concentrazioni, il processo è carrier-mediato (trasporto attivo). A concentrazioni più elevate, l’assorbimento avviene anche tramite diffusione passiva. Il trasporto attivo è maggiore nel digiuno e nell’ileo, ma può essere inibito dal consumo di alcol o dalla carenza di folati. La riduzione dell’assorbimento della vitamina B1 si verifica a dosi superiori a 5 mg / die.
La maggior parte della vitamina B1 circolante è legata alle proteine plasmatiche, principalmente all’albumina. Circa il 90% della tiamina totale nel sangue si trova negli eritrociti. L’assunzione cellulare di vitamina B1 dei tessuti avviene per trasporto attivo e diffusione passiva. Circa l’80% della tiamina intracellulare è fosforilato e la maggior parte è legata alle proteine. Due proteine trasportatrici del gene SLC, SLC19A2 e SLC19A3 sono in grado di trasportare la vitamina B1.
Le riserve umane della tiamina sono di circa 25-30 mg, con maggior concentrazione nei muscoli scheletrici, nel cuore, nel cervello, nel fegato e nei reni. Il ThMP e la tiamina libera (non fosforilata) sono presenti nel plasma, nel latte, nel liquido cerebrospinale e, si presume, in tutto il liquido extracellulare. A differenza delle forme altamente fosforilate di vitamina B1, il ThMP e la tiamina libera sono in grado di attraversare le membrane cellulari.
Il calcio e il magnesio hanno dimostrato di influenzare la distribuzione della tiamina nel corpo, e la carenza di magnesio aggrava la carenza di vitamina B1.
La "European Food Safety Authority" (EFSA) fa riferimento all’insieme collettivo di informazioni come "Dietary Reference Values", con "Population Reference Intake" (PRI) anziché RDA e "Average Requirement" invece dell’EAR. Per le donne (comprese quelle in gravidanza o in allattamento), uomini e bambini il PRI è 0,1 mg di vitamina B1 per megajoule (MJ) di energia consumata. Poiché la conversione in kilocalorie è: 1 MJ = 238,8 kcal, un adulto che consuma 2388 kcal dovrebbe assumere 1,0 mg / die di vitamina B1 - leggermente inferiore rispetto alla RDA statunitense. I LARN consigliano agli adulti sani di assumere 0,4 mg di vitamina B1 ogni 1000 kcal introdotte con la dieta e di non scendere comunque sotto lo 0,8 mg. Per favorire un’adeguata assunzione di micronutrienti, alle gestanti viene spesso consigliato di assumere quotidianamente un multivitaminico prenatale. Ai fini dell’etichettatura degli alimenti e degli integratori alimentari, negli Stati Uniti l’importo in una porzione è espresso in percentuale del valore giornaliero (% DV).
Farmaci e integratori di vitamina B1 sono in genere assumibili per via orale, ma possono anche essere somministrati per iniezione endovenosa o intramuscolare. La vitamina B1 è disponibile come farmaco generico e come farmaco da banco. Il costo all’ingrosso nei paesi in via di sviluppo (a partire dal 2016) è di poco inferiore a 2,17 dollari americani (USD) per fiala da 1 g - circa 1,94 euro (€).
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