Ricerche

Le proteine sono i cavalli da soma della vita. Gli organismi li usano come elementi costitutivi, recettori, elaboratori, corrieri e catalizzatori. La struttura di una proteina è fondamentale per la sua funzione. Le proteine mal ripiegate non solo non riescono a svolgere i loro compiti, ma possono accumularsi e infine rovinare i meccanismi interni delle cellule.

Di conseguenza, le proteine mal ripiegate causano varie malattie degenerative, dall'Alzheimer e il Parkinson alla malattia accecante chiamata retinite pigmentosa, disturbi attualmente incurabili.

Uno studio eseguito alla Università della California di Santa Barbara rivela una nuova connessione tra una particolare proteina di trasporto ionico e lo smaltimento della spazzatura dalla cellula, che frantuma le proteine mal ripiegate per evitare il loro accumulo tossico. I risultati, pubblicati su Development Cell, identificano un obiettivo per trattare queste condizioni debilitanti.

"Studiando la biologia cellulare di base nelle ovaie del moscerino della frutta, ci siamo imbattuti in un modo per prevenire la neurodegenerazione e pensiamo che ciò abbia potenziali applicazioni nel trattamento di alcune malattie umane", ha affermato l'autrice senior Denise Montell, prof.ssa distinta del dipartimento di biologia molecolare, cellulare e dello sviluppo.

Il laboratorio della Montell sta studiando da 35 anni il movimento nelle cellule delle ovaie del moscerino della frutta. Potrebbe sembrare esoterico, è la prima ad ammetterlo, ma fornisce un modello fantastico della mobilità cellulare.

"Il movimento cellulare è alla base dello sviluppo embrionale, guida la guarigione delle ferite e contribuisce alle metastasi del tumore", ha spiegato. "Quindi è un comportamento cellulare davvero fondamentale che ci teniamo a capire profondamente".

Contesto e personaggi

Il protagonista di questo studio è un gene chiamato ZIP7, che codifica una proteina con lo stesso nome. Nel lavoro precedente, il team della Montell si era imbattuto in una mutazione di questo gene che compromette la mobilità cellulare, suscitando il suo interesse. La proteina ZIP7 traghetta gli ioni di zinco all'interno della cellula. Questi ioni sono estremamente rari all'interno del citoplasma ma abbondanti nelle proteine, dove spesso fanno parte dell'architettura e catalizzano le reazioni chimiche.

"La ZIP7 si è conservata nell'evoluzione, dalle piante al lievito, ai moscerini, agli umani", ha detto la Montell. "Quindi fa qualcosa di veramente fondamentale, perché è in circolazione da molto tempo".

La ZIP7 è anche l'unico trasportatore di zinco presente nel reticolo endoplasmatico (ER), una struttura membranosa dove la cellula produce le proteine destinate alla membrana esterna della cellula o alla secrezione all'esterno della cellula. Circa un terzo delle nostre proteine viene realizzato qui. Se la ZIP7 è il nostro protagonista, allora le proteine mal ripiegate e la loro eliminazione sono il tema dello studio. Per le proteine, la funzione dipende dalla forma: non è sufficiente avere gli ingredienti giusti, una proteina deve piegarsi nel modo giusto per funzionare correttamente. Le proteine mal ripiegate sono responsabili di una serie di malattie e disturbi.

Ma le proteine a volte si ripiegano male anche in una cellula sana. Fortunatamente, le cellule hanno un sistema di controllo di qualità per affrontare questa eventualità. Se l'errore è piccolo, la cellula può provare a piegarla di nuovo. Altrimenti, marca la molecola mal ripiegata con una piccola proteina chiamata ubiquitina e la espelle dall'ER per essere riciclata. In attesa nel citoplasma ci sono strutture chiamate proteasomi, lo 'smaltimento dei rifiuti' della cellula.

"Masticano letteralmente la proteina, riducendola in piccoli pezzi che possono poi essere riciclati", ha detto la Montell. "Ma se lo smaltimento della spazzatura è impedito, qualcuno mette troppe bucce di patate lì dentro, allora la cellula entra in stato di stress".

Ciò innesca una risposta che rallenta la sintesi proteica (ferma la preparazione delle patate) e produce più proteasomi così che il sistema possa eliminare l'arretrato di rifiuti. Se tutto ciò fallisce, la cellula subisce la morte programmata.

La trama si infittisce

La prima coautrice Xiaoran Guo, post-dottorato, ha visto che la perdita di ZIP7 ha causato lo stress dell'ER nell'ovaio del moscerino della frutta. Quindi ha deciso di determinare se questo stress era il motivo per cui le cellule perdevano mobilità. In effetti, anche indurre lo stress dell'ER con una diversa proteina mal ripiegata ha deteriorato la migrazione cellulare. Quando la Guo ha sovra-espresso ZIP7 in queste cellule, è scomparso l'arretrato di proteine mal ripiegate e lo stress dell'ER e le cellule hanno riguadagnato la mobilità.

"Sono stata così sorpresa che ho dovuto chiedermi se avevo fatto tutto correttamente", ha detto la Guo. "Se questo era reale, la sola ZIP7 deve essere molto potente nel risolvere lo stress dell'ER".

Di più, la proteina mal ripiegata che ha usato, chiamata rodopsina, non contiene zinco nella sua struttura, portando la Guo a sospettare che la ZIP7 debba essere coinvolta da qualche parte nel percorso di degradazione. Morgan Mutch, primo coautore e dottorando, ha usato un farmaco per impedire al proteasoma di degradare la rodopsina mal ripiegata e ha osservato che ciò ha negato l'effetto benefico di ZIP7. Ha concluso che la ZIP7 deve agire da qualche parte prima che il proteasoma mastichi la proteina mal ripiegata.

Gli autori hanno creato quattro geni ZIP7 modificati: due mutazioni che impedivano alla proteina di trasportare zinco, mentre le altre due lasciavano tutto invariato. Hanno scoperto che il trasporto di zinco era fondamentale per ridurre lo stress nell'ER. A questo punto, un nuovo personaggio entra nella nostra storia: l'enzima Rpn11, che fa parte del proteasoma.

Proprio come cercare di infilare una grande testa di broccoli dentro uno scarico, le proteine mal ripiegate marcate con ubiquitina non si adattano al proteasoma. L'Rpn11 elimina queste etichette, consentendo alla proteina mal ripiegata di scivolare nel nucleo del proteasoma per essere scomposta. Lo zinco è essenziale perché l'Rpn11 catalizzi la rimozione dell'ubiquitina.

"Sono rimasto molto sorpreso, e poi entusiasta, quando ho visto che l'aumento dell'espressione di ZIP7 ha impedito quasi completamente l'accumulo di quelle proteine marcate con ubiquitina", ha detto Mutch. "Ci aspettavamo il risultato opposto".

Mutch ha determinato che la ZIP7 era fondamentale per fornire zinco all'Rpn11, consentendogli di potare i marcatori che etichettano le proteine difettose in modo che si adattassero alla struttura che le scompone effettivamente. Il blocco dell'enzima Rpn11 ha confermato questa ipotesi.

"Quella sensazione, quando scopri qualcosa di nuovo, qualcosa che nessuno ha capito prima, è la migliore sensazione per uno scienziato", ha aggiunto Mutch.

Terapia potenziale

I risultati suggeriscono che la sovraespressione di ZIP7 potrebbe costituire la base per trattare varie malattie. Ad esempio, la rodopsina mal ripiegata provoca la retinite pigmentosa, una malattia congenita accecante che attualmente non è curabile. Gli scienziati hanno già un ceppo di moscerini della frutta con la mutazione che provoca una malattia simile, quindi il team ha sovraespresso il gene ZIP7 in queste mosche per vedere cosa sarebbe successo.

"Abbiamo scoperto che impedisce la degenerazione della retina e la cecità", ha detto la Montell. "Ognuno dei moscerini con rodopsina mutante di solito sviluppa la retinite pigmentosa, ma addirittura il 65% di quelli con ZIP7 iperattiva ha formato occhi che rispondono normalmente alla luce".

Il laboratorio della Montell sta ora collaborando con il professor Dennis Clegg, della stessa università, per indagare ulteriormente l'effetto di ZIP7 negli organoidi retinici umani, colture tissutali portatrici di una mutazione che causa la retinite pigmentosa. Con i finanziamenti già ricevuti Montell, Clegg e i colleghi potranno testare l'ipotesi che la terapia genica ZIP7 possa prevenire la cecità nei pazienti con retinite pigmentosa.

Inoltre, la capacità del proteasoma declina man mano che invecchiamo, contribuendo a molti segni classici di invecchiamento e aumentando la probabilità di malattie degenerative legate all'età. Potremmo potenzialmente rallentare lo sviluppo o la progressione di questi disturbi con terapie che puntano la ZIP7 e che hanno già prodotto risultati promettenti allungando la vita dei moscerini.

"Questo è il manifesto di una ricerca fondamentale e guidata dalla curiosità", ha detto la Montell. "Stai solo studiando qualcosa perché è bello, e segui i dati, e finisci per scoprire qualcosa che non avevi deciso di studiare, forse anche una cura per diverse malattie".