Studio sulle cellule di lievito: proteina scoperta che induce la morte cellulare – processo simile anche nelle cellule umane?

Prof. Dr. Johannes Herrmann (a sinistra), SreeDivya Saladi e Felix Boos. (Foto: Koziel/TUK)

Quando le cellule muoiono, avviano il processo di morte cellulare. Negli organismi superiori si assicura che l'intero organismo non subisca danni. Ma anche negli organismi unicellulari esiste questo meccanismo. Perché finora non era chiaro. Ricercatori di Kaiserslautern hanno ora trovato una soluzione. Hanno scoperto in cellule di lievito una proteina che si presenta in due forme. In cellule sane, essa funge da enzima, mentre in caso di difetti avvia la morte cellulare. Anche nelle cellule umane il processo potrebbe funzionare in modo simile. Dal punto di vista evolutivo, ciò ha senso, poiché così vengono scartate le cellule di organismi unicellulari che non sono "adatte", cioè adattate. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista specializzata "Molecular Cell".

Ogni organismo è composto da cellule. Che si tratti di esseri umani, animali o piante – nella struttura e nella funzione sono molto simili. Tuttavia, mentre ad esempio le cellule della mucosa orale vivono solo pochi giorni e vengono continuamente sostituite, la maggior parte delle cellule nervose ci accompagna per tutta la vita, raggiungendo così gli 80 o 90 anni. "Quando le cellule muoiono, di solito avviano un programma speciale, chiamato apoptosi", afferma il professor Dr. Johannes Herrmann, che dirige il dipartimento di biologia cellulare presso il Politecnico di Kaiserslautern (TUK).

Questo programma di "suicidio" garantisce che le cellule morte non abbiano effetti dannosi per l'intero organismo. "Da tempo si sa che le cellule che durante lo sviluppo embrionale devono lasciare spazio ad altre strutture vengono rimosse tramite apoptosi", prosegue. Meno compreso è invece il motivo per cui anche organismi unicellulari come il lievito possiedono un tale programma, che in larga misura corrisponde a quello di esseri umani e animali. Gli organismi unicellulari non hanno uno sviluppo embrionale e qui non avviene una ristrutturazione dei tessuti.

SreeDivya Saladi e Felix Boos, che lavorano nel team di Herrmann, hanno ora trovato una spiegazione per l'importanza fondamentale della morte cellulare. Boos, che prima della laurea ha studiato matematica e biologia a Kaiserslautern, si è occupato come dottorando della durata di vita delle proteine nelle cellule del lievito da forno. "Utilizziamo questo organismo unicellulare come modello di prova", afferma il dottorando, "poiché è molto simile alle cellule umane in molte proprietà".

Boos ha utilizzato una nuova tecnica che permette di misurare contemporaneamente la durata di vita di centinaia di proteine. Si tratta della spettrometria di massa, che consente di identificare con precisione le proteine – simile a un'impronta digitale, che può essere attribuita solo a una persona. L'attenzione principale di Boos si concentra sulle proteine dei mitocondri, le centrali energetiche delle nostre cellule. "Sulla loro produzione, la scienza sa abbastanza, ma sulla loro degradazione finora molto poco", afferma Boos. Nella sua analisi ha osservato che le proteine vengono degradate abbastanza lentamente e in modo molto uniforme. Tuttavia, ci sono state alcune eccezioni. Soprattutto una proteina ha attirato la sua attenzione. "La proteina Nde1 viene degradata molto rapidamente", prosegue. "A quanto pare, una parte abbastanza grande di essa viene rimossa poco dopo la sua formazione. Volevamo capire cosa c'è dietro questa vita molto breve".

Il lavoro è stato portato avanti dalla sua collega SreeDivya Saladi. La dottoressa ha scoperto che questa proteina possiede, oltre a una funzione nota, anche un'altra. "È un enzima importante per la respirazione", dice. "Può anche avviare la morte cellulare". La ricercatrice ha quindi indagato sul motivo per cui essa sia tossica per la cellula. È emerso che si presenta in due forme. "In cellule sane, essa funge principalmente da enzima", spiega la ricercatrice. Tuttavia, in cellule in cui i mitocondri non funzionano correttamente, la situazione è diversa. "Qui esiste una seconda variante. Queste proteine non si trovano come la versione sana all’interno dei mitocondri, ma sulla superficie dei mitocondri", afferma. In cellule sane, questa variante superficiale viene rapidamente degradata. "Questo spiega anche l’alto tasso di degradazione della proteina", aggiunge Boos. "In cellule difettose, tuttavia, ciò non avviene. Si accumulano, portando alla morte della cellula", prosegue Saladi.

"L’evoluzione ha così sviluppato un meccanismo di selezione sofisticato, che garantisce che le cellule con difetti vengano eliminate intenzionalmente", riassume Herrmann. Questo è importante, ad esempio, per gli organismi unicellulari che crescono per fermentazione. "Molte funzioni dei mitocondri non sono affatto necessarie in questo processo", prosegue il professore. "Le cellule meno adatte, cioè meno adattate alle condizioni, vengono così scartate. Questo spiega anche perché gli organismi unicellulari usano l’apoptosi".

Anche negli animali e negli esseri umani esiste una proteina simile. "Da tempo si sa che può scatenare la morte cellulare negli esseri umani", afferma il professore di Kaiserslautern. Finora, però, non era chiaro in quali condizioni e a quale scopo ciò avvenga. Se il meccanismo descritto funzioni anche negli esseri umani, dovranno determinarlo ulteriori studi. Tuttavia, le somiglianze tra i tipi di cellule sono molto grandi, "quindi ipotizziamo di aver scoperto una nuova funzione generale dell’apoptosi, che seleziona le cellule in base alla loro funzione", conclude Herrmann.

La dottoressa SreeDivya Saladi ha lavorato per tre anni nel gruppo di ricerca del professor Herrmann. Ora è tornata in India per approfondire il ruolo dei mitocondri.

Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista specializzata "Molecular Cell": "The NADH dehydrogenase Nde1 executes cell death after integrating signals from metabolism and proteostasis on the mitochondrial surface"
DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.09.027

Rispondi alle domande:

Felix Boos
Dipartimento di biologia cellulare
E-mail: fboos[at]rhrk.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-2409

Prof. Dr. Johannes Herrmann
Dipartimento di biologia cellulare
E-mail: hannes.herrmann[at]biologie.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-2406