Rimodellazione delle membrane: l'incontro tra yoga e biologia cellulare

03 May 2013

Le cellule ingerirscono proteine e fagocitano i batteri con un processo ginnico, mutaforma, chiamato endocitosi.

I ricercatori del National Institutes of Health rivelano come una proteina chiave (dynamin) dirige il processo, il cui difetto genetico può essere alla base di malattie umane come l'Alzheimer, la distrofia muscolare e la leucemia.

L'endocitosi consente alle cellule di assorbire nutrienti, importare fattori di crescita, prevenire le infezioni e compiere molte altre attività vitali. Eppure, nonostante decenni di ricerche, gli scienziati non avevano capito appieno questo processo di rimodellamento della membrana. Una nuova ricerca rivela, sulla scala reale dei nanometri, come singole molecole lavorano insieme durante una singola azione di endocitosi.

"Abbiamo scoperto nuovi dettagli su un processo di base usato in molti modi da ogni cellula del corpo", scrive il co-autore Joshua Zimmerberg, MD, Ph.D., direttore del Programma di Biologia Fisica all'Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (NICHD), dove è stata condotta la ricerca. "E' il culmine di un viaggio di 30 anni".

La ricerca è stata diretta da Vadim Frolov, Ph.D., un borsista postdottorato attivo in quel momento nel laboratorio del Dott. Zimmerberg e appare in un articolo su Science scritto da un team internazionale di ricercatori di Stati Uniti, Spagna, Russia e India. Oltre a finanziare il Dott. Zimmerberg, il NIH ha sostenuto anche il lavoro attraverso una sovvenzione da parte del National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) al co-autore Sandra Schmid, Ph.D. del Medical Center dell'Università del Texas Southwestern di Dallas. La Dott.ssa Schmid è esperta di dynamin.

Gli scienziati sanno da anni che il dynamin ha il ruolo principale nell'endocitosi. Dopo che altre molecole, conosciute come proteine di rivestimento, pizzicano la membrana della cellula per formare una sacca verso l'interno, il dynamin si avvinghia, come un pitone, al collo del sacco e lo stringe con forza. Una scossa di energia proveniente da una molecola chiamata GTP recide il collo, liberando una bolla (la vescicola) che fluttua liberamente all'interno della cellula, e sigillando la chiusura nella membrana esterna della cellula. Per tutto il tempo, né la cellula né la vescicola lasciano fuoriuscire una qualsiasi parte del contenuto.

I dott. Zimmerberg, Schmid e colleghi hanno scoperto come la cellula supera una barriera di energia apparentemente insormontabile per compiere questa impresa. Non è una questione di forza bruta, come sospettato in precedenza, ma qualcosa che somiglia molto a una cooperazione molecolare di tipo zen.

La recisione del collo inizia quando il dynamin penetra leggermente nella membrana cellulare flessibile. I lipidi (molecole oleose) nella membrana si scostano, spostando la coda per accogliere la proteina. Questo affollamento molecolare stressa la membrana, restringendo ulteriormente il collo della vescicola in sviluppo. Quindi la GTP finisce il lavoro. Ma non, come ci si potrebbe aspettare, con uno strappo fatale del cappio dynamin. E' piuttosto il contrario: come un istruttore di yoga, la GTP incoraggia la membrana a rilassarsi, nonostante il suo stress estremo. Nel mezzo di questo stato di rilassamento, la vescicola si stacca improvvisamente.

Per cercare di comprendere questa mossa controintuitiva, i ricercatori ipotizzano che la GTP scioglie un po' l'interno del dynamin, trasformando la proteina in un'impalcatura flessibile che stabilizza la membrana, mentre i lipidi si ricompongono. "Non vediamo alcun altro modo per abbassare la barriera di energia necessaria al rimodellamento senza avere fuoriuscite", afferma il Dr. Frolov, che ha formulato l'ipotesi. I ricercatori hanno anche scoperto che, senza accesso alla GTP, il dynamin continuerebbe a crescere, torcendosi tre o quattro volte intorno al collo del sacco. La presenza della GTP (come nel caso degli organismi viventi) consente solo uno o due avvolgimenti al dynamin prima che si generi la vescicola.

Tutte queste informazioni aiutano gli scienziati a capire meglio un processo fondamentale per la vita. I difetti genetici nell'endocitosi (e nel processo inverso, l'esocitosi) sono legati a una serie di malattie umane, tra cui la distrofia muscolare, l'Alzheimer, la leucemia e molte altre. Inoltre, alcuni parassiti e altri agenti patogeni possono dirottare l'endocitosi, inducendo il processo ad entrare e infettare cellule umane.

Il Dott. Zimmerberg sta portando i risultati di ricerca di base nella pratica clinica. Egli sta studiando i cambiamenti nelle membrane cellulari del muscolo in persone che hanno una forma di distrofia muscolare ad insorgenza nell'età adulta. Nella malattia, la membrana intorno alle cellule muscolari si indebolisce e si usura. Alla fine, le cellule con la membrana danneggiata muoiono, spargendo un certo numero di enzimi nel sangue. Il Dott. Zimmerberg spera di identificare i cambiamenti nella chimica del sangue che fanno luce sul processo di malattia per puntare a nuovi possibili trattamenti. Presto lo studio inizierà a reclutare dei pazienti come volontari.

Fonte: NIH/National Institute of General Medical Sciences, via EurekAlert!, a service of AAAS.

Riferimento: AV Shnyrova, PV Bashkirov, SA Akimov, TJ Pucadyil, J. Zimmerberg, SL Schmid, VA Frolov. Geometric Catalysis of Membrane Fission Driven by Flexible Dynamin Rings. Science, 2013; 339 (6126): 1433 DOI: 10.1126/science.1233920.

Pubblicato in Science Daily il 30 Aprile 2013 (> English version) - Traduzione di Franco Pellizzari

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