Ricerche

In una cellula, la morte è simile alla caduta dei pezzi di domino; una molecola che induce la morte ne attiva un'altra e così via, finché l'intera cellula non viene spenta, secondo un nuovo studio eseguito alla Università di Stanford.

All'interno di una cellula, la morte si verifica spesso come la ola sugli spalti degli stadi. Ciò che inizia con due mani alzate al cielo, ne spinge un'altra, e un'altra, fino a quando l'onda si è increspata in lungo e in largo su tutto lo stadio.

Questo tipo di attivazione progressiva, stimolata dall'attività di una o poche cose, è chiamata 'onda scatenante'. Un nuovo studio eseguito alla Stanford University ha scoperto che questo fenomeno guida una delle forme più conosciute e diffuse di morte cellulare: l'apoptosi.

Non è la prima volta che vengono identificate le 'onde scatenanti' nei microcosmi della vita. Anche il ciclo cellulare, una pietra miliare della biologia cellulare, in cui le cellule si dividono per creare nuove cellule, regola la produzione via le onde scatenanti. Così fanno i potenziali d'azione neuronali, che permettono ai neuroni di passare segnali tramite impulso elettrico. E probabilmente non è tutto.

"Questo lavoro è un altro esempio di come la natura usa molte volte queste onde scatenanti, cose di cui la maggior parte dei biologi non ha mai sentito parlare", ha detto James Ferrell MD/PhD, professore di biologia chimica e dei sistemi, e di biochimica alla Stanford. "È un tema ricorrente nella regolazione cellulare. Scommetto che inizieremo a vederlo presto nei libri di testo".

L'apoptosi, una delle forme più conosciute di morte cellulare, riesce ancora a mistificare gli scienziati. "A volte le nostre cellule muoiono quando davvero non lo vogliamo, per esempio nelle malattie neurodegenerative. E a volte non muoiono quando lo vogliamo davvero, per esempio nel cancro", ha detto Ferrell. "E se vogliamo intervenire, dobbiamo capire come è regolata l'apoptosi".

Lo studio è stato pubblicato su Science il 10 agosto con Ferrell autore senior, e lo studioso postdottorato Xianrui Cheng PhD come primo autore.

Si diffonde come un incendio

Le onde scatenanti richiedono due elementi principali: un circolo virtuoso di ritorno e una partenza (pensa ai domino che cadono). Un domino collassa su un altro e induce quella tessera a rovesciarsi sul successivo. La partenza, la soglia, è la forza necessaria per rovesciare completamente la tessera; un domino appena esitante per la sua soglia (spinta) oscilla e torna in posizione verticale, mentre uno che ha raggiunto la soglia, cade.

Le onde scatenanti in una cella apoptotica (morente) sono governate da quello stesso fenomeno. Una volta che la morte cellulare è iniziata, attraverso una malattia o qualcos'altro, si attivano specifiche proteine ​​killer nella cellula, chiamate caspasi. Queste proteine ​​poi ondeggiano verso altre caspasi e le attivano; quelle seguono l'esempio fino a quando l'intera cellula soccombe.

"Si diffonde in questo modo e non rallenta mai, non si esaurisce mai", ha detto Ferrell. "Non cala mai perché a ogni passo del cammino genera il proprio impeto, convertendo più molecole inattive in attive, fino a che l'apoptosi non si è diffusa in ogni angolo della cellula".

Per vedere come la morte prende una singola cellula, Cheng e Ferrell hanno usato le uova di rana Xenopus. Un uovo è una cellula singola, ed è enorme, diventando quindi la prima candidata per osservare ad occhio nudo come la morte si diffonde da un'estremità della cellula all'altra.

Per iniziare, i due scienziati hanno prelevato del fluido dall'uovo e lo hanno inserito in tubi di Teflon, lunghi diversi millimetri, e hanno fatto partire l'apoptosi attraverso un "segnale di morte" molecolare. Usando una tecnica fluorescente legata all'attivazione dell'apoptosi, Ferrell e Cheng hanno visto il bagliore verde brillante che si faceva strada lungo il tubo a una velocità costante, indicando che l'apoptosi si stava diffondendo attraverso le onde scatenanti, al contrario di qualche altro meccanismo più rudimentale, come la diffusione, che rallenta mentre si muove.

La domanda era: l'apoptosi si diffonde così anche nelle cellule come si presentano naturalmente?

Passando alla microscopia a fluorescenza, qui si è rivelato più difficile, poiché le uova intatte delle rane sono piuttosto opache. Tuttavia, Cheng e Ferrell hanno notato che, quando le uova di rana muoiono, si nota una sorta di increspatura della pigmentazione della superficie dell'uovo.

Gli scienziati hanno visto che, durante la morte, un'oscillazione scura si muoveva come una linea curva attraverso l'uovo a una velocità costante da un lato all'altro. La velocità di questa onda di superficie, che è costante e non rallenta, ha fatto loro capire che c'era l'onda scatenante anche qui.

Quindi, per ulteriore conferma, hanno analizzato le singole uova morenti: ogni uovo che aveva subito questa onda di superficie conteneva caspasi attivate, mentre le uova che non erano ancora state sottoposte alle onde non avevano evidenze che le onde scatenanti propagassero la morte cellulare in una cellula intatta.

Un'ondata di onde scatenanti

Finora, l'apoptosi è l'unica forma di morte cellulare in cui sono state identificate onde scatenanti, ma Ferrell sta indagando su altri processi in biologia per vedere se le onde continue potrebbero avere un ruolo.

Ora stanno esaminando se le onde scatenanti potrebbero essere responsabili della diffusione della nostra risposta immunitaria innata da una cellula all'altra. I virus si diffondono da una cellula all'altra attraverso le onde scatenanti, quindi ha senso che la nostra linea iniziale di difesa immunitaria possa impiegare la stessa tattica.

"Abbiamo tutte queste informazioni su proteine ​​e geni in tutti i tipi di organismi, e stiamo cercando di capire quali sono i temi ricorrenti", ha detto Ferrell. "Dimostriamo che la comunicazione a lungo raggio può essere realizzata da onde scatenanti, che dipendono da cose come circoli virtuosi di ritorno, soglie e meccanismi di accoppiamento spaziale. Questi ingredienti sono presenti dappertutto nella regolazione biologica. Ora vogliamo sapere dove si trovano le onde scatenanti".