Gli scienziati dell’Università di Ginevra hanno scoperto come le cellule di lievito rilevano le sollecitazioni fisiche esercitate sulle membrane che le proteggono.
Le membrane cellulari svolgono un ruolo cruciale nel mantenere l’integrità e la funzionalità delle cellule. Tuttavia, i meccanismi con cui svolgono queste funzioni non sono del tutto compresi. Gli scienziati dell’Università di Ginevra, in collaborazione con l’Institut de biologie structurale de Grenoble (IBS) e l’Università di Friburgo (UNIFR), hanno utilizzato la microscopia crioelettronica per osservare come i lipidi e le proteine della membrana plasmatica interagiscono e reagiscono alle sollecitazioni meccaniche. Questo lavoro dimostra che, a seconda delle condizioni, piccole regioni della membrana possono stabilizzare diversi lipidi per innescare risposte cellulari specifiche. Queste scoperte, pubblicate sulla rivista Nature, confermano l’esistenza di domini lipidici ben organizzati e iniziano a rivelare il loro ruolo nella sopravvivenza cellulare.
Le cellule sono circondate da una membrana - la membrana plasmatica - che funge da barriera fisica, ma deve essere malleabile. Queste proprietà sono conferite dagli elementi costitutivi della membrana - lipidi e proteine - la cui organizzazione molecolare varia a seconda dell’ambiente esterno. Questo dinamismo è essenziale per la funzione della membrana, ma deve essere finemente regolato in modo che non diventi né troppo tesa né troppo flessibile. Si ritiene che il modo in cui le cellule percepiscono i cambiamenti nelle proprietà biofisiche della membrana plasmatica coinvolga microregioni della membrana - note come microdomini - che hanno un contenuto e un’organizzazione specifica di lipidi e proteine.
Criomicroscopia elettronica ad alta risoluzione
Il team guidato da Robbie Loewith, professore ordinario presso il Dipartimento di Biologia Molecolare e Cellulare della Facoltà di Scienze dell’Università di Ginevra, è interessato a come i componenti della membrana plasmatica interagiscono tra loro per garantire che le proprietà biofisiche della membrana rimangano ottimali per la crescita e la sopravvivenza delle cellule.
Finora le tecniche disponibili non ci permettevano di studiare i lipidi nel loro ambiente naturale all’interno delle membrane. Grazie al Dubochet Center for Imaging (DCI) delle Università di Ginevra, Losanna, Berna e EPFL, siamo riusciti a vincere questa sfida utilizzando la criomicroscopia elettronica", spiega Robbie Loewith. Questa tecnica consente di congelare i campioni a -200°C per intrappolare le membrane nel loro stato nativo, che può poi essere osservato al microscopio elettronico.
osservare al microscopio elettronico.
Si tratta di una vera e propria svolta nella comprensione del funzionamento della membrana plasmatica.
Gli scienziati hanno utilizzato il lievito di birra (Saccharomyces cerevisiae), un organismo modello in molti laboratori di ricerca perché è molto semplice da coltivare e manipolare geneticamente. Inoltre, la maggior parte dei suoi processi cellulari fondamentali sono simili a quelli degli organismi superiori. Questo studio si è concentrato sugli eisosomi, che sono specifici microdomini di membrana organizzati attorno a una rete di proteine. Si ritiene che questi eisosomi siano in grado di sequestrare o rilasciare proteine e lipidi per aiutare le cellule a resistere ai danni alla membrana e/o a dare segnali, in modi finora sconosciuti.
Per la prima volta siamo riusciti a purificare e osservare gli eisosomi contenenti lipidi della membrana plasmatica nel loro stato nativo. Si tratta di un vero passo avanti nella comprensione del loro funzionamento", spiega Markku Hakala, borsista presso il Dipartimento di Biochimica della Facoltà di Scienze dell’Università di Ginevra e coautore dello studio.
Conversione di un segnale meccanico in un segnale chimico
Utilizzando la microscopia crioelettronica, gli scienziati hanno osservato che l’organizzazione lipidica di questi microdomini viene modificata in risposta alle sollecitazioni meccaniche. Abbiamo scoperto che quando la rete proteica dell’eisosoma viene stirata - ad esempio sotto pressione meccanica - la complessa disposizione dei lipidi nei microdomini viene modificata. Questa riorganizzazione dei lipidi probabilmente consente il rilascio di molecole di segnalazione sequestrate per innescare meccanismi di adattamento allo stress. Il nostro studio rivela un meccanismo molecolare attraverso il quale lo stress meccanico può essere convertito in segnalazione biochimica tramite interazioni proteina-lipide con una precisione senza precedenti", spiega Jennifer Kefauver, borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Biologia Molecolare e Cellulare e prima autrice dello studio.
Questo lavoro apre numerose strade per lo studio del ruolo primordiale della compartimentazione delle membrane, ossia il movimento all’interno delle membrane di proteine e lipidi per formare sottocompartimenti noti come microdomini. Questo meccanismo consente alle cellule di svolgere funzioni biochimiche specializzate, in particolare l’attivazione di vie di comunicazione cellulare in risposta ai vari stress a cui possono essere sottoposte.
24 luglio 2024
