Mitosi

Le cellule ci insegnano l’economia circolare

Il riuso dei beni sta finalmente prendendo piede nelle nostre città. Conosciamo numerose app anti-spreco (per esempio Too Good To Go, per il cibo) e le usiamo per ridurre il nostro impatto ambientale.

Ma stiamo davvero facendo qualcosa di nuovo? Da più di un miliardo di anni, le nostre cellule usano un processo antispreco chiamato autofagia: organelli e proteine difettose vengono raccolte da ispettori specializzati, LC3B e GABARAP, che le portano ai lisosomi per smontarle e riutilizzarne i pezzi.

Questo sistema super-efficiente ci permette di sopravvivere anche in mancanza di risorse: se il cibo scarseggia, gli organelli malandati vengono smontati grazie all’autofagia ed usati come nutrimento.

L’autofagia può essere attivata anche solo in regioni specifiche della cellula in modo da controllare precisi eventi cellulari. Per esempio, la mito-fagia (autofagia dei mitocondri) ricicla i mitocondri danneggiati controllando così la respirazione cellulare. Ogni “tipo” di autofagia è regolato da meccanismi ancora sconosciuti. Studiare tali meccanismi potrebbe servire per curare le malattie causate da difetti nell’autofagia, come per esempio i tumori.

Gli Scienziatimatti di oggi hanno osservato che il processo di divisione cellulare, la mitosi, era più lento nelle cellule in cui l’autofagia era difettosa.

Sinistra = cellula normale che si sta dividendo (siSCR). Destra = cellula in cui l’autofagia è difettosa (la proteina ULK1 è stata eliminata con la tecnica RNA interference, siULK1) che non riesce a dividersi in così poco tempo. In verde il DNA (H2B) ed in rosso i microtubuli (Tubulina) – (riadattata da: Holdgaard. et al 2019).

Una cellula che si divide deve copiare il DNA e compattarlo nei cromosomi per distribuirlo in parti uguali alle due cellule figlie. Dei filamenti detti microtubuli si dispongono a creare dei binari che condurranno i cromosomi ai due estremi della cellula in divisione. I microtubuli nascono da un organello, il centrosoma, il quale nella mitosi si spezza in due. I due frammenti si allontanano portandosi dietro ognuno un’estremità diversa dei microtubuli, formando una struttura bellissima da vedere chiamata fuso mitotico.


In rosso il Fuso Mitotico (tubulina), in verde i frammenti di centrosoma (gamma-tubulina), ed in blu in DNA (DAPI). Nella prima riga vediamo cellule normali (siSCR), nella seconda (siULK1) e nella terza (siATG7) cellule in cui l’autofagia non funziona perché le proteine ULK1 o ATG7 sono state eliminate e quindi ci sono tanti frammenti di centrosoma. Le barre bianche corrispondono a 10 µm (riadattata da: Holdgaard. et al 2019).

Nelle cellule in cui l’autofagia era difettosa, gli Scienziatimatti osservavano spesso tre o più pezzetti di centrosoma, come se l’organello si fosse rotto in più punti (vedi figura sopra, immagini verdi).

Questo difetto è molto grave perché la cellula ha solo due copie dei cromosomi e se i microtubuli tirano in più direzioni, il DNA si distribuirà in maniera sbagliata nelle due cellule figlie, cosa frequente nei tumori.

Per capire cosa stava succedendo, i ricercatori hanno fatto una lista di tutte le proteine che vengono prese dagli ispettori LC3B e GABARAP ed hanno scoperto che i GABARAP raccoglievano le proteine dei satelliti centriolari, una struttura che avvolge i centrosomi e collabora con loro.

Si trattava forse di un nuovo meccanismo di autofagia? Come verificare questa possibilità?

1.       Bloccare l’autofagia eliminando due proteine necessarie per questo processo. Se i satelliti centriolari sono digeriti dall’autofagia, adesso dovrebbero accumularsi.. ed è proprio quello che vediamo qui:

Nelle immagini di microscopio a sinistra: in verde i satelliti centriolari (PCM1), ed in blu in DNA (DAPI). Nella prima colonna vediamo cellule normali (siSCR), nella seconda (siULK1) e terza (siATG7) cellule in cui l’autofagia non funziona e dove si accumula quindi PCM1. La riga bianca corrisponde a 10 µm.
Le immagini a destra sono un Western Blot: le cellule vengono spaccate e le proteine al loro interno vengono analizzate con degli anticorpi. Le bande nere che vediamo corrispondono alla proteina scritta a destra. Più la banda è scura, più proteina c’è. Prima di essere spaccate, le cellule sono state trattate con Bafilomicina (Baf), un farmaco che blocca l’autofagia. Così, le proteine che normalmente vengono mangiate dall’autofagia si accumulano. LC3B è conosciuta per essere mangiata dall’autofagia ed è quindi un controllo positivo. Vinculin non è toccata dall’autofagia e non varia nell’esperimento. Le proteine dei satelliti centrosomali si accumulano! (Da Holdgaard. et al 2019).

2.       Togliere alla cellula il nutrimento in modo da obbligarla a fare più autofagia. Ora i satelliti centriolari dovrebbero diminuire.. ed ancora una volta i dati confermano l’ipotesi! Per di più, bloccando l’autofagia con un farmaco si può evitare la diminuzione dei satelliti centriolari!

Di nuovo un Western Blot: Le bande nere che vediamo corrispondono alla proteina scritta a destra. Più la banda è scura, più proteina c’è. Prima di essere spaccate, alle cellule è stato tolto il nutrimento (EBSS) per aumentare l’autofagia. Allo stesso tempo, un altro gruppo di cellule a digiuno è stato trattato con bafilomicina per bloccare l’autofagia (EBSS+Baf). p62 è conosciuta per essere mangiata dall’autofagia ed è quindi un controllo positivo (come LC3B nell’imagine precedente). Vinculin non è toccata dall’autofagia e non varia nell’esperimento. I centrosomi satellitari si comportano come le proteine mangiate dall’autofagia (da Holdgaard. et al 2019).

Grazie agli Scienziatimatti di oggi, adesso conosciamo un nuovo tipo di autofagia, la dorifagia (dal greco doryforos, satellite), necessaria perché la divisione cellulare vada a buon fine e quindi fondamentale per il nostro sviluppo e la nostra vita.


Qui il link alla ricerca originale: https://www.nature.com/articles/s41467-019-12094-9

Di gatti e di epigenetica

Oggi condividiamo anche noi la foto di un tenero gattino, non tanto per seguire l’ultima moda social, quanto perché questo non è un gatto qualunque; questo è un gatto, o meglio, una gatta calico, e ne sa un sacco sull’epigenetica!

È infatti grazie all’epigenetica se possiamo essere sicuri al 99.9997% (il 100% in biologia non esiste! Diffidiamo delle certezze assolute!) di stare guardando un gatto femmina. Vediamo perché…

Sappiamo che è il DNA ad essere ereditato di generazione in generazione, ma in realtà non si eredita solo il DNA. Ci sono altre istruzioni che passano dai genitori ai figli, una sorta di codice nel codice che spiega alle cellule quali parti di DNA leggere. Come se in un testo ci fossero alcune parti scritte in rosso ed alcuni avessero ricevuto istruzioni di leggere solo quelle. Questo codice nel codice è l’epigenetica.

Uno dei casi più eclatanti di epigenetica riguarda i cromosomi sessuali.

Breve ripasso di genetica: in genere le femmine hanno due cromosomi X (femmina=XX), mentre i maschi hanno una sola X ed un cromosoma più piccolo, una X senza una gamba, ovvero una Y (maschio=XY).

I gatti hanno le istruzioni per fare il pelo arancione o nero sul cromosoma X (il colore bianco è controllato diversamente). Un gatto maschio ha una sola X e quindi non può avere la pelliccia nera ed arancione allo stesso tempo. La nostra gatta calico è invece femmina ed ha perciò due X. In questo caso particolare, una X ha l’informazione “pelo nero” e l’altra “pelo arancione”.

Nessuna cellula però sopravviverebbe con due cromosomi X, troppo DNA da gestire! Le cellule XX decidono allora di spegnere uno dei due cromosomi X ed ogni cellula ne inattiva uno a caso (inattivazione del cromosoma X), generando così una pelliccia a macchie nere ed arancioni.

Le cellule sanno quale cromosoma X inattivare grazie all’epigenetica, ma come facciano a spegnere un cromosoma resta un mistero.

Gli intrepidi ScienziatiMatti di oggi hanno deciso di affrontare la questione studiando embrioni di topo dove si sa che il cromosoma X ereditato dal padre si inattiva già quando l’embrione è composto da sole due cellule. Più tardi nello sviluppo, i cromosomi X paterni si riaccendono e, subito dopo, uno dei due cromosomi X (stavolta scelto a caso) si spegne di nuovo.

Nelle foto più grandi vediamo degli embrioni di topo. Le macchie blu più o meno circolari sono i nuclei delle cellule. La foto a sinistra è un embrione femmina e vediamo che in ogni nucleo c’è un puntino rosso che corrisponde alla proteina EED legata al cromosoma X inattivo. L’embrione a destra è maschile, XY, quindi il cromosoma X non si inattiva e infatti non vediamo puntini rossi da nessuna parte.
Nelle foto piccole vediamo un ingrandimento su un solo nucleo dove in più alla proteina EED, i ricercatori hanno messo in evidenza due altri marcatori già conosciuti che si associano al cromosoma X spento. Le linee bianche nelle immagini grandi sono di 20 μm. (Harris et al. 2019)

I ricercatori hanno scoperto EED, la proteina chiave per spegnere il cromosoma X paterno. Gli embrioni di due cellule non sono ancora in grado di autoprodursi EED, che quindi viene donata pronta dalla mamma. Senza EED materna, l’embrione non spegne nessun cromosoma X. Ma troppo DNA fa male, quindi si correrà ai ripari appena gli embrioni cominceranno a prodursi la loro EED.

I ricercatori hanno tolto dall’embrione le istruzioni per costruire la proteina EED (l’embrione ora è EED-/-). Quando è composto solo da 2 cellule però, l’embrione ha sempre EED (in rosso) donato dalle cellule della madre. Solo quando l’embrione crescerà e le sue cellule si saranno divise fino a diventare 16, allora EED della madre non ci sarà più. (Harris et al. 2019)

L’inattivazione avverrà però più avanti nello sviluppo, causando problemi soprattutto agli embrioni maschili. L’inattivazione del cromosoma X quindi non ha conseguenze solo sulle cellule femminili, ma in qualche modo tocca anche le cellule maschili XY.

Grazie agli ScienziatiMatti di oggi ne sappiamo di più sul funzionamento di questo strano meccanismo che è l’epigenetica.

C’è ancora molta strada per decifrare completamente questo codice nel codice, ma i nostri linguisti del DNA sono al lavoro!


Qui il link alla ricerca originale: https://elifesciences.org/articles/44258

Chi ha decifrato la descrizione di epigenetica? 🙂

Tesoro, mi si sono ingrandite le cellule!

3b-4Wooow!! Questo è quello che ci siamo detti in laboratorio quando siamo riusciti a generare l’immagine 3D che vedete qui.

Magari qualcuno sa già cosa stiamo guardando… si tratta di una cellula in mitosi, ovvero una cellula che si sta sdoppiando per dare origine a due cellule figlie. In rosso vediamo lo scheletro della cellula (i microtubuli) ed in blu il DNA organizzato in cromosomi.

Ma per quanto sia bello e ipnotico guardare questa ricostruzione 3D di cellule col loro DNA, il nostro WOW era dovuto alla tecnica particolare che abbiamo usato per produrre questa immagine: l’Expansion Microscopy. Tale tecnica è stata messa a punto da un gruppo di ricercatori di Boston, che si sono guadagnati quindi il posto d’onore nell’articolo di oggi.

Alla base dell’Expansion Microscopy ci sono un problema complesso ed una soluzione tanto semplice quanto geniale.

Il problema: ogni sistema ottico, che sia l’occhio umano, una lente di ingrandimento, un microscopio o un telescopio, possiede una certa risoluzione. La risoluzione è la distanza minima che può esserci tra due punti affinché si capisca che i due punti sono effettivamente separati. Se per esempio mettiamo su un tavolo 2 granelli di pepe a mezzo millimetro di distanza l’uno dall’altro e chiediamo a qualcuno un po’ lontano dal tavolo di contare i granelli, probabilmente la nostra cavia non saprà dirci se i granelli sono 1, 2 o magari 3. Lo stesso problema c’è anche con i telescopi (chi conosce le stelle binarie?) e con i microscopi. Per via di alcune proprietà fisiche delle lenti (le lenti dei nostri occhi, ma anche quelle dei microscopi ottici e dei telescopi) la risoluzione massima che può essere raggiunta anche dal microscopio ottico migliore del mondo è di circa 200 nanometri, ovvero 0,0002 millimetri. Certo, è una distanza molto piccola, ma nelle cellule abbiamo a che fare con delle vere e proprie miniature e a volte questa risoluzione non basta.

La soluzione: I nostri eroi hanno pensato che se i microscopi non potevano più essere migliorati, allora forse era il momento di migliorare le cellule! Perché non ingrandirle prima di osservarle? Avete presente quei dinosauri che si gonfiano in acqua? Il principio è lo stesso!

Con questa soluzione semplice alla portata di ogni laboratorio del mondo, i ricercatori hanno aumentato la risoluzione di un normale microscopio di circa 5 volte. Adesso possiamo distinguere due oggetti distanti solo 50 nanometri! Andate a vedere le foto originali nella ricerca: gli scienziati pazzi non si sono fermati alle cellule, ma hanno ingrandito dei pezzetti di cervello ed hanno fatto una ricostruzione in 3D dei neuroni come non se n’erano mai viste prima!

 

Spoiler alert: No, purtroppo non si possono produrre mostri giganti con questa tecnica.. ne siamo rimasti tutti delusi, ma l’amara verità è che bisogna bloccare (in gergo scientifico si dice fissare) le cellule o i tessuti che si vogliono analizzare. Il processo di fissazione uccide le cellule, quindi si potranno espandere solo cose morte…


Qui il link alla ricerca originale: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4312537/