I ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) hanno scoperto come le proteine formino minuscole goccioline di fluido nella cellula che agiscono come una colla molecolare intelligente. Questa aderisce alle estremità dei microtubuli e garantisce il corretto posizionamento del nucleo cellulare durante la divisione cellulare.
I giunti sono fondamentali per le macchine con parti in movimento. Che siano rigidi o flessibili, che si tratti di un collegamento tra gli alberi di un motore o le articolazioni del nostro corpo, i materiali utilizzati devono essere adatti a trasmettere le forze meccaniche come desiderato.
In nessun altro luogo questo principio è meglio realizzato che in una cellula: molti processi biologici si basano su interazioni tra strutture in movimento e accoppiate. Ma per molto tempo gli scienziati sono rimasti perplessi su come la natura gestisca questi accoppiamenti.
I ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) hanno studiato un accoppiamento necessario per la divisione cellulare del lievito. Hanno scoperto che l'accoppiamento avviene attraverso la condensazione delle proteine in una goccia di liquido.
Di conseguenza, le proteine raggiungono le proprietà materiali perfette che garantiscono la loro funzione biologica. I risultati sono stati appena pubblicati sulla rivista scientifica Nature Cell Biology.
Collegamento tra cavo del treno e motore
Nel loro studio, i ricercatori si sono concentrati su un accoppiamento che si verifica all'estremità di un microtubulo. I microtubuli sono piccoli tubi che attraversano il citoplasma e sono costituiti da blocchi proteici chiamati tubuline. Tra le altre cose, agiscono come cavi di trazione che trasportano carichi attraverso la cellula.
Uno dei carichi più delicati è il nucleo cellulare, che contiene il materiale genetico della cellula. Nelle cellule di lievito, i microtubuli devono tirare il nucleo esattamente al posto giusto tra la cellula madre e la cellula figlia in fase di gemmazione.
Per farlo, il microtubulo deve legarsi a una proteina motrice, che a sua volta si aggancia a un filamento di actina ancorato nella membrana della cellula figlia in via di sviluppo. La proteina motrice inizia quindi a correre lungo il filamento di actina, tirando il microtubulo verso la cellula figlia finché il nucleo non raggiunge la sua destinazione tra le due cellule.
"Questa scoperta è solo l'inizio di una nuova comprensione del ruolo che i fluidi intelligenti svolgono nella cellula".Yves Barral
L'accoppiamento gioca un ruolo importante: la connessione tra il microtubulo e la proteina motrice deve resistere alla tensione che si verifica quando la proteina motrice si muove lungo il filamento di actina. Inoltre, deve garantire che il nucleo della cellula possa essere manovrato con precisione.
"Deve esserci un collante tra il microtubulo e la proteina motrice. Senza collante, il microtubulo si stacca, dando origine a una cellula figlia non vitale e priva di materiale genetico", spiega Michel Steinmetz, capogruppo del PSI e specialista in biologia strutturale dei microtubuli.
Accoppiamenti naturali flessibili
Per ottenere questo insolito accoppiamento tra microtubulo e filamento di actina, all'estremità del microtubulo si trovano tre proteine che costituiscono il nucleo della cosiddetta rete Kar9.
Gli scienziati si interrogano da tempo su una domanda: Come fanno le tre proteine centrali della rete Kar9 a rimanere attaccate alla punta del microtubulo, anche se i blocchi di tubulina vengono rimossi o aggiunti al tubo e i pezzi vengono inseriti o tagliati in sezioni vicine della corda?
I nuovi risultati dimostrano che, proprio come una goccia di liquido si attacca alla punta di una matita, questa goccia di liquido fatta di proteine condensate si attacca anche all'estremità del microtubulo, anche se cresce o si restringe.
I ricercatori hanno scoperto che le tre proteine Kar9 raggiungono le proprietà di un liquido lavorando insieme attraverso una rete di deboli interazioni. Poiché le proteine interagiscono in diversi punti, la colla resiste anche se una delle interazioni viene meno. Ciò conferisce al microtubulo una flessibilità sufficiente per rimanere accoppiato alla proteina motore anche in presenza di tensione.
"Questa scoperta è solo l'inizio di una nuova comprensione del ruolo che i fluidi intelligenti svolgono nella cellula", afferma Yves Barral, professore di biochimica all'ETH di Zurigo. Il suo gruppo di ricerca studia da tempo la divisione cellulare nei lieviti. "I fluidi fatti di biomolecole possono essere estremamente sofisticati e avere molte più capacità di quelle a cui siamo abituati dalla nostra prospettiva macroscopica".Secondo l'ETH, probabilmente diventerà chiaro che tali fluidi hanno molte funzioni insolite che sono state selezionate dall'evoluzione nel corso di centinaia di milioni di anni".
Nel loro studio, i ricercatori hanno analizzato sistematicamente le interazioni tra i tre componenti proteici della rete Kar9. Sulla base delle conoscenze strutturali acquisite in studi precedenti presso la Swiss Light Source SLS del PSI, hanno mutato ciascuna delle proteine per rimuovere in modo specifico i siti di interazione e osservarne gli effetti in provetta e nelle cellule viventi.
In una soluzione, le tre proteine si sono unite per formare gocce distinte, simili alle gocce d'olio nell'acqua. Per dimostrare che ciò avviene anche nelle cellule viventi, 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.
"In provetta era ancora facile dimostrare che le proteine in questione interagivano tra loro per formare un condensato liquido. Ma è stata una grande sfida trovare una prova convincente che questo avvenisse anche in vivo", dice Steinmetz. Ci sono voluti anni per fornire questa prova". Steinmetz ha postulato l'idea di una colla proteica liquida per le punte dei microtubuli insieme a un collega dei Paesi Bassi già nel 2015.
Nessuna colla standard
Barral è affascinato da quanto sia sofisticata questa colla. "Non è una colla qualsiasi, è intelligente e può incorporare informazioni spaziali per formarsi specificamente nel posto giusto".
Nel groviglio di microtubuli identici nel citoplasma, solo uno dei tubi riceve la goccia di colla che gli permette di attaccarsi al filamento di actina e di tirare il nucleo della cellula (e quindi le informazioni genetiche) al posto giusto. "Come la natura riesca ad assemblare una struttura complessa all'estremità di un singolo microtubulo e non in altri è davvero sorprendente", afferma.
I ricercatori ritengono che le proprietà fluide delle proteine permettano di ottenere questa straordinaria specificità. Proprio come le gocce d'olio si fondono insieme in una vinaigrette, piccole gocce potrebbero inizialmente formarsi su molti microtubuli, che poi si uniscono per formare una goccia più grande su un singolo microtubulo. Il modo esatto in cui ciò potrebbe accadere è ancora sconosciuto ed è oggetto di ulteriori ricerche nei laboratori di Steinmetz e Barral.
Lo studio è frutto della collaborazione tra i gruppi di Michel Steinmetz del PSI e Yves Barral, professore di biochimica all'ETH di Zurigo. Sono stati supportati dai gruppi di ricerca dell'ETH di Eric Dufresne e J?rg Stelling.
Questo testo della redattrice scientifica Miriam Arell è apparso per la prima volta sul sito web dell'Istituto Paul Scherrer (PSI).
Riferimento alla letteratura
Meier SM, Farcas A-M, Kumar A, et al. La multivalenza assicura la persistenza 1 di un corpo +TIP alle estremità specializzate dei microtubuli. Nature Cell Biology, 19 dicembre 2022, DOI: pagina esterna10.1038/s41556-022-01035-2