L’Apparato di Golgi, controllore delle cellule

Una delle funzioni essenziali di tutte le cellule è la produzione di proteine. Le proteine “primitive” costruite nel reticolo endoplasmatico vengono inviate ad un organello molto particolare specializzato nell’assemblaggio finale e nella distribuzione, l’Apparato di Golgi

Il Golgi è fatto da tanti palloncini (cisterne) messi uno sull’altro. Le proteine entrano nelle prime cisterne, dette cis-Golgi, e poi, mano a mano che vengono modificate e perfezionate, avanzano verso l’altra estremità dell’organello, il trans-Golgi, che si occuperà di smistarle verso le loro destinazioni finali. 

(A) Nello schema vediamo il Golgi in arancione che da un lato riceve le proteine dal reticolo endoplasmatico (Rough ER), e dall’altro le invia verso la membrana plasmatica, il confine esterno della cellula. (B) A destra dello schema vediamo un Golgi fotografato con un microscopio elettronico, uno strumento che permette di vedere cose piccolissime. (C) Qui vediamo due cellule, una con un Golgi normale, piccolo e compatto (a sinistra), e l’altra con un Golgi frammentato (a destra). Un modo che i ricercatori usano per capire se i Golgi sono frammentati è misurare quanto spazio occupano: un Golgi frammentato occupa più spazio.

Nonostante sia stato scoperto più di 100 anni fa, questo organello racchiude ancora molti misteri. Per esempio, in genere ha una forma molto compatta, al centro della cellula, ma nelle cellule dei tumori è spesso frammentato in tanti pezzettini sparsi dappertutto. Coincidenza?

Gli Scienziatimatti di oggi hanno osservato che cellule esposte a diversi tipi di stress avevano tutte dei Golgi frammentati. Concordi con Trenitalia nel non credere alle coincidenze, si sono chiesti se la frammentazione del Golgi potesse essere causata dallo stress. 

L’organello è tenuto insieme da proteine “impalcatura”, come per esempio GM130 (sulla quale l’autore del blog ha speso un dottorato!). È lecito pensare che disturbando le proteine-impalcatura, si possa danneggiare la struttura dell’organello. Ed effettivamente i ricercatori hanno visto che interferendo con i sistemi di raccolta rifiuti delle cellule potevano far variare la quantità di GM130 e frammentare i Golgi.

Esistono due diverse compagnie di netturbini nelle nostre cellule: l’autofagia (ne abbiamo parlato qui), ed il proteasoma. In questo caso, è il proteasoma, una sorta di aspirapolvere in miniatura, che ingerisce GM130 e lo smonta, restituendo alla cellula i mattoncini (gli amminoacidi) di cui era fatto. 

Gli Scienziatimatti hanno usato dei farmaci che impediscono alle proteine di uscire dal Golgi, causando quindi uno stress, ed hanno visto che i livelli di GM130 diminuivano ed i Golgi si frammentavano. Prova finale schiacciante: bloccando il proteasoma, i livelli di GM130 e la forma del Golgi non cambiavano più!

(A) In verde vediamo il Golgi ed in blu i nuclei delle cellule. Nel controllo (prima imagine a sinistra), i Golgi sono tutti piccolo e compatti, mentre dopo qualche ora di trattamento con farmaci diversi che causano Golgi-stress vediamo che i Golgi si frammentano. La linea bianca è lunga 50 µm. (B) Una tecnica chiamata western-blot ci permette di vedere quanta proteina c’è dentro le cellule. Le protein sono le bande nere che vediamo. Più la banda è nera, più proteina c’è. Vediamo che quando si usa un farmaco per causare Golgi-stress, i livelli di GM130 scendono, ma se allo stesso tempo blocchiamo il proteasoma, allora GM130 non cambia. GAPDH è una proteina i cui livelli non variano e che si può usare quindi per verificare che in ogni condizione analizzata siamo partiti dallo stesso numero di cellule e dalla stessa quantità di proteine. (C) Delle cellule che hanno una proteina del Golgi fluorescente (che può quindi essere osservata al microscopio) sono state trattate con un farmaco che causa Golgi-stress (LCG, la prima riga) ed altre sono state trattate con una sostanza di controllo, un placebo (EtOH, la linea sotto). Il farmaco ed il placebo poi sono stati tolti (washout) e si è visto che nelle cellule trattate col farmaco, dove il Golgi si era frammentato, l’organello tornava ad essere compatto (da Eisenberg-Lerner et al. 2020).

Ok, ma perché questa complicata risposta allo stress? 

Se una cellula è sotto stress, significa che c’è qualcosa che non va. Quindi, prima che il problema si espanda a tutto l’organismo, meglio che questa cellula prenda provvedimenti.

Gli scienziati hanno visto che se la causa del Golgi-stress scompariva, il Golgi tornava alla sua forma normale e la cellula riprendeva a funzionare normalmente. Ma se il Golgi-stress persisteva, allora la cellula commetteva harakiri! Questo è uno dei primi sistemi reversibili che scopriamo!

Molti tumori producono un sacco di proteine in più rispetto alle cellule sane. I loro Golgi sono probabilmente già affaticati per il troppo lavoro e potrebbero quindi essere più suscettibili al Golgi-stress.

I ricercatori hanno preso allora cellule di mieloma multiplo, un tumore del sangue, e le hanno trattate con farmaci che inducono Golgi-stress. Si è così attivato un meccanismo che ha ucciso le cellule tumorali senza danneggiare le cellule normali! E somministrando questi farmaci a dei topi malati di mieloma multiplo, molti sintomi della malattia come per esempio la milza ingrossata, diminuivano drasticamente!

(A) I ricercatori hanno misurato l’area del Golgi di tantissime cellule di myeloma multiplo (cellule 5TGM1). Ogni puntino sul grafico corrisponde ad una cellula! Vediamo che le cellule che hanno ricevuto il farmaco che causa Golgi-stress (LCG) hanno Golgi mediamente più grandi (la nuvola di punti è spostata più in alto). (B) Con una tecnica chiamata FACS (Fluorescence Activated Cell Sorting), i ricercatori hanno preso tutte le cellule del midollo osseo di topi malati di mieloma multiplo. Ogni puntino colorato sul grafico corrisponde ad una cellula. Le cellule che hanno una proteina chiamata CD138 sono quelle in alto nei grafici e sono le cellule di mieloma. Le cellule che hanno invece CD19 sono a destra nei grafici e sono cellule sane (linfociti B). Vediamo che i topi trattati con il farmaco Monensin, che causa Golgi-stress, hanno meno cellule nel quadrato in alto. (C) La milza dei malati di mieloma multiplo si ingrossa molto, ma nei topi che hanno ricevuto il farmaco Monensin la milza è più piccolo, segno che la malattia è regredita! (Da Eisenberg-Lerner et al. 2020).

Un applauso agli Scienziatimatti e al loro acutissimo spirito d’osservazione!


Qui il link alla ricerca originale: 10.1038/s41467-019-14038-9