Colla molecolare intelligente

I ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI e dell'ETH di Zurigo (1) hanno scoperto come le proteine nella cellula possono formare minuscole goccioline liquide che agiscono come una colla molecolare intelligente. Aggrappandosi alle estremità dei filamenti chiamati microtubuli, la colla che hanno scoperto assicura che il nucleo sia posizionato correttamente per la divisione cellulare. I risultati, pubblicati su Nature Cell Biology (2), spiegano il mistero di lunga data di come le strutture proteiche in movimento del macchinario cellulare siano accoppiate insieme.

I giunti sono fondamentali per le macchine con parti in movimento. Rigido o flessibile, che si tratti della connessione tra gli alberi di un motore o delle articolazioni del nostro corpo, le proprietà del materiale assicurano che le forze meccaniche vengano trasdotte come desiderato. Da nessuna parte questo è meglio ottimizzato che nella cellula, dove le interazioni tra le strutture subcellulari in movimento sono alla base di molti processi biologici. Tuttavia, il modo in cui la natura crea questo accoppiamento ha a lungo sconcertato gli scienziati.

Microtubuli: le funi della cellula

Lo studio si concentra su un accoppiamento che si verifica alle estremità dei microtubuli, filamenti che attraversano il citoplasma della cellula e hanno un'inquietante somiglianza con tentacoli alieni. Questi tubi cavi, formati dalla tubulina dell'elemento costitutivo, fungono da funi di traino, trasportando vari carichi attraverso la cella.

I microtubuli ricevono uno dei loro carichi più critici durante la divisione cellulare. Nel lievito, hanno l'importante compito di trascinare il nucleo, contenente i cromosomi che si dividono, tra la cellula madre e la cellula figlia in erba. Per fare ciò, il microtubulo deve connettersi, tramite una proteina motrice, a un cavo di actina ancorato nella membrana cellulare della cellula figlia emergente. La proteina motrice quindi cammina lungo il cavo dell'actina, tirando il microtubulo nella cellula figlia fino a quando il suo prezioso carico di materiale genetico raggiunge la destinazione prevista tra le due cellule.

Questo accoppiamento, essenziale affinché la divisione cellulare proceda, deve resistere alla tensione mentre la proteina motrice cammina e consentire al nucleo di essere manovrato con delicatezza. Il dottor Michel Steinmetz (3), il cui gruppo di ricerca al PSI è esperto nella biologia strutturale dei microtubuli, spiega: «Tra i microtubuli e le proteine motrici, deve esserci un collante. Senza di esso, se il microtubulo si stacca, ti ritroverai con una cellula figlia senza materiale genetico che non sopravviverà».

L'accoppiamento flessibile della natura

Nel lievito, tre proteine, che costituiscono il nucleo della cosiddetta rete Kar9, decorano la punta del microtubulo per ottenere questo accoppiamento. Il modo in cui ottengono le proprietà materiali necessarie sembra contraddire la comprensione tradizionale delle interazioni proteiche.

Una domanda che aveva a lungo incuriosito gli scienziati era come le tre proteine della rete Kar9 rimanessero attaccate alla punta del microtubulo anche quando le subunità della tubulina vengono aggiunte o rimosse: l'equivalente del gancio all'estremità di una fune che rimane in posizione mentre vengono inserite sezioni di corda adiacenti o troncato. Qui, la loro scoperta fornisce una risposta: come una goccia di colla liquida si aggrapperebbe all'estremità di una matita, così questo “liquido” proteico può aggrapparsi all'estremità del microtubulo anche mentre cresce o si restringe.

I ricercatori hanno scoperto che per ottenere questa proprietà liquida, le tre proteine della rete Kar9 core collaborano attraverso una rete di interazioni deboli. Poiché le proteine interagiscono in diversi punti, se un'interazione fallisce, le altre rimangono e la “colla” persiste in gran parte. Ciò conferisce la flessibilità necessaria affinché i microtubuli rimangano attaccati alla proteina motoria anche sotto tensione, ritengono i ricercatori.

Per fare la loro scoperta, i ricercatori hanno sondato metodicamente le interazioni tra i tre componenti proteici della rete Kar9. Sulla base delle conoscenze strutturali ottenute presso la Swiss Light Source SLS in studi precedenti, hanno potuto mutare le proteine per rimuovere selettivamente i siti di interazione e osservare gli effetti in vivo e in vitro.

In soluzione, le tre proteine si sono unite per formare goccioline distinte, come l'olio nell'acqua. Per dimostrare che ciò avveniva nelle cellule di lievito, i ricercatori hanno studiato l'effetto delle mutazioni sulla divisione cellulare e la capacità delle proteine di seguire la fine di un microtubulo che si restringe.

«È stato abbastanza semplice dimostrare che le proteine stavano interagendo per formare un condensato liquido in vitro. Ma è stata una grande sfida fornire prove convincenti che questo è ciò che stava accadendo in vivo, il che ci ha richiesto diversi anni», spiega Steinmetz, che per primo ha postulato l'idea di una “colla proteica liquida” per le proteine leganti la punta dei microtubuli, insieme a un collega dai Paesi Bassi in una pubblicazione di revisione del 2015.

Il professor Yves Barral (4) è entusiasta da quanto sia sofisticata la colla. «Non è solo una colla, ma è una colla intelligente, che è in grado di integrare le informazioni spaziali per formarsi solo nel posto giusto». All'interno del complesso groviglio di microtubuli identici nel citoplasma cellulare, solo un microtubulo riceve la gocciolina che gli consente di attaccarsi al cavo di actina e di posizionare l'informazione genetica. «Il modo in cui la natura riesce ad assemblare una struttura complessa all'estremità di un solo microtubulo, e non di altri, è sbalorditivo», sottolinea.

I ricercatori ritengono che la proprietà liquida delle proteine svolga un ruolo importante nel raggiungimento di questa specificità. Allo stesso modo in cui le piccole goccioline d'olio in una boccetta si fondono insieme, ipotizzano che piccole goccioline si formino inizialmente su molti microtubuli, che in qualche modo successivamente convergono per formare una goccia più grande su un singolo microtubulo. Come si ottenga esattamente questo risultato rimane un mistero ed è oggetto di indagini nelle squadre del dottor Steinmetz e del dottor Barral.

Riferimenti:

(1) Paul Scherrer Institut (PSI)

(2) Multivalency ensures persistence of a +TIP body at specialized microtubule ends

(3) Michel Steinmetz

(4) Yves Barral

Descrizione foto: Questa gocciolina liquida è in realtà costituita da molecole proteiche. Agisce come una colla che mantiene i microtubuli attaccati, attraverso il movimento delle proteine motrici, a un cavo di actina, un processo essenziale affinché la divisione cellulare proceda. - Credit: Ella Marushenko / Ella Maru Studios.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: The clever glue keeping the cell’s moving parts connected