Ricerche

Le cellule possono usare questa strategia per eliminare i sottoprodotti tossici e dare alla loro prole una partenza da zero.

Nell'immagine il magenta è il DNA e il verde è un marcatore lisosomiale sulla superficie delle cellule, indicatore dell'esocitosi lisosomiale. (Fonte: Miettinen et al.)

Ricercatori del MIT hanno scoperto che prima che le cellule inizino a dividersi, fanno un po' di pulizia, espellendo le molecole di cui sembrano non aver più bisogno.

Usando un nuovo metodo che hanno sviluppato per misurare la massa secca delle cellule, i ricercatori hanno scoperto che le cellule perdono circa il 4% della loro massa mentre entrano nella divisione cellulare. I ricercatori ritengono che questo svuotamento della spazzatura aiuti le cellule a dare alla loro prole un 'nuovo inizio', senza la spazzatura accumulata della cellula madre.

"La nostra ipotesi è che le cellule potrebbero gettare cose che si stanno accumulando, componenti tossici o solo cose che non funzionano correttamente che non vuoi avere lì. Potrebbe consentire alle cellule neonate di nascere con contenuti più funzionali", afferma Teemu Miettinen, ricercatore del MIT e primo autore del nuovo studio apparso su eLife.

Misurare la massa

La misurazione della massa secca di una cellula - il peso del suo contenuto senza acqua - viene di solito eseguita usando una tecnica di microscopia chiamata 'microscopia di fase quantitativa'. Questa tecnica può misurare la crescita cellulare, ma non rivela informazioni sul contenuto molecolare della massa secca ed è difficile da usare con le cellule che crescono in sospensione.

Il laboratorio di Manalis aveva sviluppato in precedenza una tecnica per misurare la massa galleggiante di cellule, che è la loro massa mentre galleggiano in un fluido come l'acqua. Questo metodo misura la massa galleggiante facendo fluire le cellule attraverso un canale incorporato in un cantilever (trave a mensola) vibrante, che può essere fatto ripetutamente per tenere traccia dei cambiamenti nella massa di una particolare cellula per molte ore o giorni.

Per il loro nuovo studio, i ricercatori volevano adattare la tecnica in modo che potesse essere usata per calcolare la massa secca delle cellule, nonché la sua densità. Circa 10 anni fa, avevano scoperto che potevano calcolare la massa secca di una cellula se misuravano la cellula in acqua normale e poi in acqua pesante (che contiene deuterio anziché idrogeno normale). Queste due misurazioni possono essere usate per calcolare la massa secca della cellula.

Tuttavia, l'acqua pesante è tossica per le cellule, quindi potevano ottenere solo una singola misurazione per cellula. L'anno scorso, Miettinen ha deciso di vedere se poteva progettare un sistema in cui le cellule potevano essere misurate ripetutamente con un'esposizione minima all'acqua pesante.

Nel sistema che ha escogitato, le cellule sono esposte molto brevemente ad acqua pesante mentre scorrono attraverso canali microfluidici. Ci vuole solo un secondo perché una cellula scambi completamente il suo contenuto di acqua, quindi i ricercatori potevano misurare la massa della cellula quando era piena di acqua pesante, confrontarla con la massa in acqua normale e quindi calcolare la massa secca.

"La nostra idea era che, minimizzando l'esposizione delle cellule all'acqua pesante, avremmo potuto progettare il sistema in modo da ripetere questa misurazione su lunghi periodi di tempo senza ferire la cellula", afferma Miettinen. "Ciò ci ha permesso per la prima volta di tracciare non solo la massa secca di una cellula, che è ciò che gli altri fanno usando metodi microscopici, ma anche la densità della massa secca, che ci informa sulla composizione biomolecolare della cellula".

I ricercatori hanno dimostrato che le loro misurazioni di massa secca concordavano qualitativamente con precedenti lavori usando la microscopia di fase quantitativa. E, oltre a fornire la densità della massa secca, il metodo del team del MIT consente una maggiore risoluzione temporale, che si è rivelata utile per rivelare le dinamiche durante la mitosi (divisione cellulare).

Portare fuori la spazzatura

Nelle cellule soggette a mitosi, i ricercatori hanno usato la loro nuova tecnica per studiare ciò che accade alla massa cellulare e alla sua composizione durante quel processo. In un documento del 2019, Miettinen e Manalis avevano scoperto che la massa galleggiante aumenta leggermente quando inizia la mitosi. Tuttavia, altri studi che hanno usato la microscopia di fase quantitativa hanno suggerito che le cellule potrebbero trattenere o perdere la massa secca all'inizio della divisione cellulare.

Nel nuovo studio, il team del MIT ha misurato tre tipi di cellule tumorali, che sono più facili da studiare perché si dividono più frequentemente delle cellule sane. Con loro sorpresa, i ricercatori hanno scoperto che la massa secca delle cellule in realtà diminuisce quando entrano nel ciclo della divisione cellulare. Questa massa viene riacquistata in seguito, prima che la divisione sia completa.

Ulteriori esperimenti hanno rivelato che quando le cellule entrano nella mitosi, aumentano l'attività di un processo chiamato esocitosi lisosomiale. I lisosomi sono organelli cellulari che abbattono o riciclano i prodotti di scarto cellulare e l'esocitosi è il processo che usano per espellere qualsiasi molecola non più necessaria.

I ricercatori hanno anche scoperto che la densità della massa secca aumenta man mano che le cellule perdono la massa secca, portandole a credere che le cellule stiano perdendo molecole a bassa densità come lipidi o lipoproteine. Ipotizzano che le cellule utilizzino questo processo per eliminare le molecole tossiche prima di dividersi.

"Quello che stiamo vedendo è che le cellule potrebbero cercare di buttare i componenti danneggiati prima di dividersi", afferma Miettinen.

I ricercatori ipotizzano che i loro risultati possano aiutare a spiegare perché i neuroni, che non si dividono, hanno maggiori probabilità di accumulare proteine ​​tossiche come tau o amiloide-beta, che sono legate allo sviluppo dell'Alzheimer.

I risultati potrebbero anche essere rilevanti per il cancro: le cellule tumorali possono espellere alcuni farmaci chemioterapici usando l'esocitosi, aiutandoli a diventare resistenti ai farmaci. In teoria, impedire l'esocitosi prima della divisione cellulare potrebbe aiutare a rendere le cellule tumorali più suscettibili a tali farmaci.

"Ci sono malattie in cui potremmo desiderare di sovra-regolare l'esocitosi, ad esempio nelle malattie neurodegenerative, ma poi ci sono malattie come il cancro in cui forse vogliamo ridurla", dice Miettinen. "In futuro, se potessimo comprendere meglio il meccanismo molecolare che sta alla base e trovare un modo per innescarlo al di fuori della mitosi o prevenirlo durante la mitosi, potremmo davvero avere una nuova leva da usare per trattare la malattia".