Quest’estate in molti abbiamo optato per vacanze on the road, zaino in spalla, a macinare chilometri di strada. Sulla strada ci accorgiamo delle cose che sono veramente essenziali (per esempio il caricabatterie del cellulare) ed a queste cose facciamo molta attenzione perché sappiamo che perderle sarebbe un problema!
Le nostre cellule, che di strada (evolutiva) ne hanno fatta molta, hanno racchiuso il loro materiale più prezioso, il DNA, dentro un involucro super-sicuro, il nucleo.
Purtroppo, come succede anche ai migliori zaini da trekking, il nucleo può danneggiarsi e lasciar fuoriuscire del DNA.
Degli scienziatimatti hanno colorato il contenuto del nucleo di questa cellula tumorale in rosso e verde. La cellula si muove in uno spazio pieno di ostacoli e il suo nucleo si danneggia: ad un certo punto vediamo una “bolla” di materiale che si stacca dal nucleo e resta fuori! (Da Denais et al. 2016).
Onde evitare di perdere l’indispensabile materiale genetico, bisogna ricucire i buchi! Qui entrano in gioco le proteine ESCRT (ne avevamo già parlato qui), delle proteine “sarte” che funzionano come elastici: si arrotolano intorno alle estremità del buco e stringono.
Gli Scienziatimatti di oggi hanno studiato il funzionamento delle micro-sarte: la riparazione avviene sul lato interno della membrana nucleare (nucleare = del nucleo!). Molte proteine di piccole dimensioni possono entrare liberamente nel nucleo attraverso delle porte dette pori nucleari. Ma essendo il nucleo un luogo molto speciale, solo poche proteine sono autorizzate a restarci. CHMP7, una delle proteine-sarte ESCRT, ha un codice a barre (Nuclear Export Sequence, in termini tecnici) che dice ai buttafuori del nucleo: “riportatemi fuori!”. Ma CHMP7 può essere trattenuta dentro il nucleo da un’altra proteina chiamata LEMD2.
Immagine generata con Biorender.
In genere LEMD2 è più lenta dei buttafuori, quindi le poche CHMP7 che entrano dai pori nucleari vengono velocemente rispedite nel citoplasma (lo spazio cellulare fuori dal nucleo). Se però il nucleo si danneggia, improvvisamente entrano un sacco di CHMP7 tutte insieme ed i buttafuori vengono sopraffatti. LEMD2 riesce ad acchiappare qualche CHMP7 proprio vicino ai buchi e a quel punto CHMP7 può cominciare la sua opera di sarta insieme ad altre proteine ESCRT.
Gli Scienziatimatti hanno poi scoperto che le ESCRT non sono brave sarte! Se non vengono controllate, tirano troppo i lembi degli strappi e finiscono col deformare la membrana nucleare!
Gli scienziatimatti hanno trovato al microscopio una cellula con il nucleo danneggiato. Quando hanno visto le proteine ESCRT arrivare (CHMP4B, in questo caso), hanno congelato tutto e sono passati ad utilizzare la microscopia elettronica (immagini in bianco e nero a destra) per capire meglio cosa stesse succedendo (tecnica chiamata Correlative Electron Microscopy – CLEM). I quadrati bianchi corrispondono alle zone in cui le proteine ESCRT si erano accumulate e vediamo che la membrana del nucleo è deformata proprio in questi punti. Immagine tratta da Vietri et al. 2020.
Non è solo questione di estetica! Il DNA è attaccato alla membrana e tirando troppo si finisce inevitabilmente col tirare anche il DNA che dentro il nucleo è un filo super-attorcigliato. Toccando e stiracchiando matasse di fili si formano dei nodi!
La cellula si trova così a dover snodare il prezioso DNA e lo fa usando delle forbici che tagliano in prossimità del nodo per poi riattaccare tutto.
Top2B (in rosso) è la proteina che taglia il DNA arrotolato. Gli scienziatimatti hanno visto che dove si accumulano le proteine ESCRT (CHMP4B, in verde) arriva anche Top2B, a dimostrazione che in quelle zone c’è del DNA attorcigliato. La linea bianca è lunga 5 µm. Immagine riadattata da Vietri et al. 2020.
Ma se i nodi sono troppo grandi, può succedere che non si sciolgano e alla fine il DNA viene riattaccato più o meno a caso, lasciando fuori la parte annodata. È proprio il caso di dire che la toppa è peggio del buco: le ESCRT che dovevano salvare il DNA finiscono per danneggiarlo!
Ciliegina sulla torta, le cellule tumorali perdono spesso pezzi molto grossi di DNA quando si dividono. Questi pezzi vanno a formare dei micronuclei che, se si danneggiano, vengono letteralmente stritolati dalle ESCRT. Il risultato finale è la perdita totale di grosse parti di DNA, il ché contribuisce ad alimentare il caos genetico che rende i tumori strani e fuori controllo.
Il citoplasma è colorato di rosso (mRuby3-NES), mentre LEMD2, la proteina che si accumula quando c’è un danno alla membrana nucleare, è in verde. Vediamo una cellula con un nucleo principale e 4 micronuclei. Uno dei micronuclei (quello più in alto) si danneggia e subito si riempie di citoplasma (rosso). LEMD2 arriva per ripararlo ma lo stritola! Video tratto da Vietri et al. 2020.
Gli scienziatimatti hanno osservato i cromosomi di cellule “normali” o di cellule in cui avevano attivato CHMP7. L’attivazione di CHMP7 non solo deforma la membrana nucleare, ma rompe i cromosomi!! Immagine riadattata da Vietri et al. 2020.
Possibile che un problema nella regolazione delle ESCRT aiuti i tumori a svilupparsi? Questo sistema appena scoperto andrà studiato attentamente per saperne di più!
Qui il link alla ricerca originale:
https://doi.org/10.1038/s41556-020-0537-5
Oh noo! L’articolo è a pagamento! sci-hub potrebbe salvarci, ma è illegale!(?) 🙂
Scienziati Matti 
molto dettagliato, interessantissimo. Grazie delle info e buona serata
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Grazie!
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Non ho capito la faccenda delle cellule tumorali. Cioè, se la cellula perde un pezzo, non dovrebbe diventare meno pericolosa? Io col corpo intero sono capace di pestarti di santa ragione, ma se perdo una mano col piffero che ci riesco. E se per giunta il pezzo che si è staccato viene stritolato, non dovrebbe essere una buona cosa? O forse intendi dire che il fatto di cambiare continuamente perché una cellula perde un pezzo e un’altra ne perde un altro rende più difficile trovare il modo di trattarle? (O magari intendi un’altra cosa ancora…)
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Bello avere gente così attenta che legge!
E bellissima domanda per la quale non esiste ancora una risposta!
Intanto una precisazione: nell’articolo è riportata solo una piccola parte della storia. non parlo di come i micronuclei possano essere usati come vettori per trasmettere il DNA da una cellula all’altra (trasmissione orizzontale di DNA). Quando una cellula muore, la sua membrana esterna comincia a disintegrarsi. A quel punto può succedere che uno o più micronuclei vengano liberati e le cellule vicine li fagocitino, acquisendo DNA. Quindi se da un lato ci sono cellule che perdono pezzi, dall’altro ci sono altre cellule che guadagnano pezzi.
I micronuclei partecipano a quella che viene definita “instabilita cromosomica”, che è una caratteristica tipica di tantissimi tumori (soprattutto tumori al colon-retto): le cellule che compongono il tumore perdono e acquistano pezzi anche grossi di cromosomi in un processo sostanzialmente casuale. Tutto questo porta ad avere cellule aneuploidi, cioè con un numero strano di cromosomi: in genere abbiamo 23 coppie di cromosomi che sono ordinate per convenzione dal cromosoma più grande al più piccolo. Può succedere che venga fuori una cellula aneuploide che ha un solo cromosoma nella coppia 1 e tre cromosomi nella coppia 2, per esempio.
Non solo nei tumori abbiamo tante cellule aneuploidi, ma pare che l’aneuploidia possa essere la causa del tumore stesso.
Come dici tu, se perdo un pezzo è molto probabile che le mie funzioni peggiorino. Ma l’evoluzione gioca sui grandi numeri e se pensiamo al tumore come ad una enorme popolazione di cellule, dentro questa popolazione ci saranno cellule che perdono i “pezzi giusti”, come per esempio quei pezzi che fanno suicidare la cellula che sta proliferando troppo, o i pezzi che permettono al nostro sistema immunitario di riconoscere le cellule malate per poterle togliere di mezzo. Queste cellule saranno avvantaggiate rispetto alle altre e cominceranno a crescere tantissimo perché hanno perso tutti i freni che non le facevano crescere più del dovuto (è spiegato molto bene qui: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24299711/).
Il processo sicuramente è inefficiente ed infatti sembra che nei tumori in cui ci sono già delle mutazioni “driver” (mutazioni ritenute causa del cancro, come per esempio gli oncogeni Ras o il gene APC per il cancro al colon) l’aneupoidia sia invece deleteria (lo hanno scoperto qui: https://doi.org/10.1016/j.ccr.2006.12.003). Della serie: ho già trovato un modo che mi permette di crescere velocemente, perché dovrei usare l’instabilità cromosomica?
L’instabilità cromosomica è molto più subdola delle mutazioni driver per vari motivi:
– sfugge alle analisi: quando si analizza un tumore in realtà si sta analizzando tutta una popolazione di cellule e si ottengono quindi dei valori medi. Se il 90% delle cellule ha la mutazione driver Ras, lo vedo dalle analisi. Se invece lo 0.1% delle cellule ha una mutazione dovuta alla perdita di un pezzo di cromosoma, un altro 0.1% ha due volte quel pezzo di cromosoma, e così via, dalle analisi non vedrò niente! Quindi l’instabilità cromosomica è stata ignorata per anni perché semplicemente non era visibile.
– resiste a praticamente tutte le terapie. Nel caso delle mutazioni Ras per esempio sappiamo che certe terapie non funzionano ed è meglio usarne altre, quindi sapere che un tumore ha una mutazione Ras ci da già un’indicazione su quale trattamento sarà efficace. Quando un tumore è troppo vario, non importa che terapia usiamo, ci saranno sempre delle cellule resistenti.
In sostanza, l’ambito dell’instabilità cromosomica e del caos genetico è molto nuovo e ci si capisce ancora poco. Come spesso succede, sono arrivati prima i medici che hanno detto: “ehi, in queste persone le mie cure funzionano meno. Io ora cambio cura a caso, ma nel frattempo qualcuno può spiegarmi che succede?”. L’informazione è stata data in pasto ai ricercatori che hanno cominciato ad investigare e piano piano stanno venendo fuori sempre più cose.
Questo articolo è particolarmente importante perché fino ad ora si credeva che le cause dell’instabilità cromosomica fossero da ricercare in errori durante la divisione cellulare, quindi si cercava di usare farmaci che mirano alla divisione cellulare. Invece ora sappiamo che si può generare instabilità cromosomica anche in cellule che non si dividono e probabilmente adesso partirà la caccia a farmaci che inibiscono le proteine ESCRT.
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Cioè, ogni volta che si fa una nuova scoperta sui tumori, ci si rende conto che sono ancora più carogne di quanto si pensasse, come quando si approfondisce la conoscenza di certi professori.
Ma dove dice che “Genome chaos occurs following exposure to chemotherapeutics with different mechanisms” intende dire che la chemioterapia potrebbe avere l’effetto di peggiorare la situazione anziché guarire? E cosa si intende esattamente per meccanismi differenti?
(Grazie. Mamma mia quanto tempo devi perdere ogni volta per rispondermi!)
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Eh, purtroppo è proprio così. I tumori ne sanno una più del diavolo! Alcune delle chemioterapie più usate sono farmaci diretti contro i microtubuli, che tra le altre cose servono nel momento della divisione cellulare per distribuire equamente i cromosomi tra le cellule figlie. Se i microtubuli sono danneggiati le cellule figlie possono ereditare numeri sbagliati di cromosomi e diventare quindi aneuploidi. Questo è solo un esempio, ma chissà in quanti modi diversi si può favorire il caos genomico! L’instabilità cromosomica è sotto i riflettori da relativamente poco tempo, quindi non si conoscono di preciso tutti i meccanismi che la causano.
Comunque una nota positiva c’è: da tutta questa confusione nel DNA delle cellule tumorali possono venire fuori proteine “speciali” che vengono prodotte solo dalle cellule tumorali e non dalle cellule normali. Queste proteine possono essere usate come segnale per colpire solo le cellule tumorali, creando così una chemioterapia (teoricamente) priva di effetti collaterali. C’è un gruppo di ricerca nell’istituto in cui lavoro che ha un progetto bellissimo basato proprio su questo principio. Ogni volta che assisto ad una loro presentazione resto affascinato e mi verrebbe voglia di lavorare con loro! Ci stanno lavorando da 6-7 anni, per ora ci si sono alternati 2 studenti di dottorato e adesso c’è la terza. Spero che riusciranno a pubblicare presto così potremo parlarne più in dettaglio qui sul blog!
(Grazie a te! L’idea alla base del blog era proprio quella di stimolare un dialogo, non è di certo tempo perso! Anzi, è divertente e stimolante!).
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