Cosa fa funzionare la vita? I mitocondri possono tenere il tempo per le cellule | Rivista Quanti

Proprio come le persone in luoghi diversi sembrano operare a ritmi diversi, così fanno anche specie diverse. Invecchiano al loro ritmo: alcuni, come il moscerino della frutta, corrono fino all’età adulta in modo da potersi riprodurre prima che la loro effimera fonte di cibo scompaia, mentre creature come gli esseri umani maturano lentamente nel corso di decenni, in parte perché lo richiede la costruzione di un cervello grande e complesso. E proprio all’inizio della vita di un embrione, piccole modifiche nei tempi e nelle modalità di sviluppo dei diversi tessuti possono alterare drasticamente la forma di un organismo, un meccanismo che l’evoluzione sfrutta nella creazione di nuove specie. Tuttavia, ciò che determina il ritmo della crescita di un organismo è rimasto un mistero.

"La nostra conoscenza di ciò che controlla i tempi dello sviluppo è davvero rimasta indietro rispetto ad altre aree della biologia dello sviluppo", ha affermato Margarete Diaz Cuadros, che conduce una ricerca focalizzata sul ritmo dello sviluppo presso il Massachusetts General Hospital di Boston.

I biologi dello sviluppo hanno avuto un enorme successo nell’identificazione reti di geni regolatori che parlano tra loro: sistemi a cascata di circuiti di feedback che attivano o disattivano i geni esattamente nel momento e nel posto giusto per costruire, ad esempio, un occhio o una gamba. Ma la somiglianza altamente conservata in queste reti genetiche tra le specie contrasta con enormi differenze nei tempi di sviluppo. I topi e gli esseri umani, ad esempio, utilizzano gli stessi set di geni per creare neuroni e costruire spine. Eppure il cervello e la colonna vertebrale di un topo risultano molto diversi da quelli di un essere umano perché i tempi in cui questi geni sono attivi sono diversi, e non è chiaro il motivo.

"La regolazione genetica non sembra spiegare tutto sui tempi dello sviluppo", ha affermato Pierre Vanderhaeghen, che studia l'evoluzione e lo sviluppo del cervello alla KU Leuven in Belgio. “Ora, questo è un po’ provocatorio perché in un certo senso, in biologia, tutto dovrebbe essere spiegato dalla regolazione genetica, direttamente o indirettamente”.

Nuove spiegazioni su ciò che fa funzionare la vita stanno emergendo dalle innovazioni – come i progressi nella coltura delle cellule staminali e la disponibilità di strumenti per manipolare il metabolismo, inizialmente sviluppati per studiare il cancro – che ora consentono ai ricercatori di tracciare e giocare con il ritmo di sviluppo delle prime cellule. embrioni e tessuti in maggior dettaglio. In una serie di documenti negli ultimi anni, incluso una pubblicazione chiave a giugno, diversi gruppi di ricerca sono confluiti in modo indipendente su intriganti connessioni tra il ritmo dello sviluppo, il ritmo delle reazioni biochimiche e i tassi di espressione genetica alla base di tali reazioni biochimiche.

Le loro scoperte indicano un metronomo comune: i mitocondri, che potrebbero essere i cronometristi della cellula, stabilendo il ritmo per una varietà di processi di sviluppo e biochimici che creano e mantengono la vita.

Un neurone tiene il tempo

Più di dieci anni fa, Vanderhaeghen condusse un esperimento che gettò le basi per gli studi moderni su come viene mantenuto il ritmo dello sviluppo. Era presente il neurobiologo il suo laboratorio belga coltivando cellule staminali in piastre di Petri e osservando quanto tempo impiegavano per maturare da tabulati cellulari a neuroni a tutti gli effetti che si collegavano e comunicavano con gli altri. Pensava di poter trovare indizi sull'origine e sull'evoluzione del cervello umano confrontando queste cellule staminali umane e di topo preparate a diventare neuroni.

La prima cosa che notò fu che le cellule staminali dei topi si differenziavano in cellule cerebrali mature in circa una settimana, più rapidamente delle cellule staminali umane, che impiegavano il loro tempo per crescere in tre o quattro mesi.

Ma quelle cellule si svilupperebbero allo stesso modo in un cervello in crescita piuttosto che in una piastra isolata? Per scoprirlo, ha trapiantato un neurone di topo nel cervello di un topo vivo. La cellula ha seguito la stessa sequenza temporale dei neuroni del topo ospite, differenziandosi dopo circa una settimana. Poi ha provato la stessa cosa con un neurone umano, impiantandolo nel cervello di un topo. Con suo grande stupore, il neurone umano manteneva il proprio tempo. Ci è voluto quasi un anno per maturare nonostante il suo ambiente roditivo.

"Questo ci ha fornito una prima risposta importante, ovvero che qualunque sia il meccanismo di temporizzazione, sembra che gran parte di esso sia nei neuroni stessi", ha detto Vanderhaeghen. “Anche se togli le cellule dalla capsula di Petri e le metti in un altro organismo, manterranno comunque la loro sequenza temporale”.

Tuttavia, fino a un paio di anni fa non si sapeva praticamente nulla del meccanismo cellulare sottostante.

Vanderhaeghen ha iniziato a pensare da dove provenissero gli elementi costitutivi di un neurone. "Per creare neuroni, è come costruire un edificio super complicato", ha detto. "Hai bisogno di una buona logistica." Le cellule hanno bisogno non solo di energia ma anche di una fonte di materie prime per crescere e dividersi.

Sospettava che i mitocondri potessero fornire questi elementi costitutivi. Gli organelli sono fondamentali per la crescita e il metabolismo di una cellula. Producono energia, guadagnandosi il soprannome di “centrale elettrica della cellula”, e producono anche metaboliti essenziali per costruire aminoacidi e nucleotidi e per regolare l’espressione genetica.

La visione classica dei mitocondri è che non cambiano nel corso della vita di una cellula. "Sono proprio queste piccole e pittoresche salsicce nella cella e forniscono energia", ha detto Vanderhaeghen. Ma quando lui e Ryohei Iwata, uno studioso post-dottorato nel suo laboratorio, hanno osservato più da vicino lo sviluppo dei neuroni e hanno visto che anche i mitocondri hanno bisogno di tempo per svilupparsi.

Neuroni giovani, hanno riferito Scienze, avevano pochi mitocondri e quelli che avevano erano frammentati e generavano poca energia. Poi, man mano che i neuroni maturavano, i mitocondri crescevano in numero, dimensioni e attività metabolica. Inoltre, i cambiamenti sono avvenuti più velocemente nei topi che negli esseri umani. In sostanza, il sistema si è ridimensionato: la maturazione dei mitocondri è rimasta sincronizzata con la maturazione dei neuroni in entrambe le specie.

La scoperta colpì Vanderhaeghen e Iwata come importante. E li ha portati a chiedersi se i mitocondri potessero essere il silenzioso tamburo che guida le grandi differenze nel ritmo di sviluppo tra le specie.

Come far crescere una colonna vertebrale

Uno dei modelli classici per studiare il ritmo dello sviluppo embrionale è la struttura della colonna vertebrale. Tutti i vertebrati hanno una colonna vertebrale composta da una serie di segmenti vertebrali, ma le specie variano nel numero e nelle dimensioni. Sorge quindi una domanda naturale sui meccanismi di sviluppo che danno origine a questa caratteristica essenziale dei vertebrati e alle sue numerose variazioni in tutto il regno animale.

Nel 1997, il biologo dello sviluppo Olivier Pourquié, ora alla Harvard Medical School, hanno scoperto per la prima volta un oscillatore molecolare chiamato orologio di segmentazione che guida il meccanismo che modella la colonna vertebrale dei vertebrati. Lavorando con embrioni di pollo, il suo gruppo di ricerca ha identificato i fattori chiave che vengono espressi ritmicamente durante la formazione di ciascun segmento vertebrale nel tessuto embrionale. L’orologio di segmentazione innesca oscillazioni dell’espressione genica, facendo fluttuare le cellule nella loro reattività a un segnale del fronte d’onda che si muove dalla testa alla coda. Quando il fronte d'onda incontra le cellule reattive, si forma un segmento. In questo modo, il meccanismo dell’orologio e del fronte d’onda controlla l’organizzazione periodica della colonna vertebrale.

I geni che orchestrano l’orologio della segmentazione sono conservati attraverso le specie. Tuttavia, il periodo dell’orologio – il tempo tra due picchi in un’oscillazione – non lo è. Per molti anni i genetisti dello sviluppo non sono riusciti a spiegarlo: non avevano gli strumenti genetici per manipolare con precisione l’orologio in un embrione in crescita. Così, intorno al 2008, Pourquié ha iniziato a sviluppare metodi per analizzare meglio il meccanismo in laboratorio.

A quel tempo, “sembrava fantascienza totale”, ha detto. Ma l’idea divenne più plausibile nel decennio successivo, quando il laboratorio di Pourquié e altri in tutto il mondo impararono a coltivare cellule staminali embrionali e persino costruire organoidi - come una retina, un intestino o un mini-cervello - in un piatto.

Pourquié e Diaz Cuadros, allora suo studente laureato, trovarono un modo per riprodurre l'orologio nelle cellule staminali di topo e umane. Nei primi esperimenti hanno osservato che il periodo dell’orologio dura circa due ore nei topi, mentre nelle cellule umane ci vogliono circa cinque ore per completare un’oscillazione. Era la prima volta che qualcuno identificava il periodo dell'orologio di segmentazione negli esseri umani.

Anche altri laboratori hanno visto il potenziale di questi progressi nella biologia delle cellule staminali per affrontare questioni di vecchia data sui tempi di sviluppo. Nel 2020, due gruppi di ricerca, uno guidato da Miki Ebisuya presso il Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare di Barcellona e l'altro di James Brisco presso il Francis Crick Institute di Londra – hanno scoperto in modo indipendente che i processi molecolari di base nella cellula restano al passo con il ritmo dello sviluppo. Hanno pubblicato studi lato by lato in Scienze.

Il team di Ebisuya voleva comprendere le differenze nella velocità delle reazioni molecolari – espressione genetica e degradazione delle proteine ​​– che guidano ciascun ciclo dell'orologio. Hanno scoperto che entrambi i processi funzionavano due volte più velocemente nelle cellule dei topi rispetto a quelle umane.

Briscoe guardò invece allo sviluppo iniziale del midollo spinale. Come il ciclo dell’orologio di segmentazione, il processo di differenziazione dei neuroni – compresa l’espressione di sequenze genetiche e la scomposizione delle proteine ​​– è stato proporzionalmente allungato negli esseri umani rispetto ai topi. "Ci vuole da due a tre volte più tempo per arrivare allo stesso stadio di sviluppo utilizzando cellule staminali embrionali umane", ha detto Briscoe.

Era come se all'interno di ogni cella ticchettasse un metronomo. Ad ogni oscillazione del pendolo, una varietà di processi cellulari – espressione genetica, degradazione delle proteine, differenziazione cellulare e sviluppo embrionale – hanno tenuto il passo e sono rimasti puntuali.

Ma questa era una regola generale per tutti i vertebrati, oltre ai topi e agli esseri umani? A scoprirlo, lo studente laureato di Ebisuya Jorge Lazaro ha creato uno “zoo di cellule staminali”, che ospita cellule di una varietà di mammiferi: topi, conigli, bovini, rinoceronti, esseri umani e uistitì. Quando riprodusse l'orologio di segmentazione di ciascuna specie, vide che la velocità delle reazioni biochimiche rimaneva al ritmo del periodo dell'orologio di segmentazione in ciascuna di esse.

Inoltre, i tempi dell'orologio non si adattavano alle dimensioni degli animali. Le cellule del topo oscillavano più rapidamente delle cellule del rinoceronte, ma le cellule umane oscillavano più lentamente delle cellule del rinoceronte e le cellule dell'uistitì avevano le oscillazioni più lente di tutte.

Le scoperte, pubblicato nella Cell Stem Cell in giugno, hanno suggerito che la velocità delle reazioni biochimiche potrebbe essere un meccanismo universale per regolare il tempo di sviluppo.

Hanno anche ampliato i limiti di un aspetto importante ma trascurato del dogma centrale della biologia molecolare. "Stiamo parlando di trascrizione, traduzione e stabilità delle proteine", ha detto Diaz-Cuadros. Tutti pensavano che fossero gli stessi in tutte le specie di mammiferi o vertebrati, "ma ora quello che stiamo dicendo è che la velocità del dogma centrale è specie-specifica, e penso che sia piuttosto affascinante."

Crea o distruggi una proteina

L’orologio, quindi, deve derivare da un meccanismo che stabilisce il ritmo delle reazioni biochimiche tra le specie. Teresa Raion voleva scoprire le sue origini quando lei osservato la differenziazione dei motoneuroni nel suo laboratorio di Londra, dove ha studiato con Briscoe.

Ha ingegnerizzato geneticamente lo sviluppo di neuroni murini e umani per esprimere la proteina fluorescente, che si illumina quando eccitata da un laser alla giusta lunghezza d'onda. Poi ha osservato le proteine ​​introdotte mentre si degradavano. Con sua sorpresa, le stesse proteine ​​fluorescenti si separavano più rapidamente nelle cellule di topo che in quelle umane, seguendo il ritmo dello sviluppo dei neuroni. Ciò le suggerì che qualcosa nell'ambiente intracellulare stabilisse il ritmo del degrado.

"Se dovessi chiedere a un biologo: 'Come si determina la stabilità di una proteina?' ti direbbero che dipende dalla sequenza", ha detto Rayon, che ora dirige il proprio laboratorio presso il Babraham Institute di Cambridge, in Inghilterra. “Tuttavia, abbiamo scoperto che in realtà non è così. Pensiamo che potrebbe essere il meccanismo che sta degradando le proteine ​​a svolgere un ruolo”.

Ma lei e il suo gruppo stavano esaminando solo un singolo tipo di cellula. Se i tipi di cellule nei vari tessuti si sviluppassero a velocità diverse, anche le loro proteine ​​si degraderebbero a velocità diverse?

Michele Dorrity presso il Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare di Heidelberg stava approfondendo la questione riflettendo su come la temperatura influisce sullo sviluppo. Molti animali, dagli insetti ai pesci, si sviluppano più velocemente se allevati a temperature più elevate. Curiosamente, ha osservato che negli embrioni di pesce zebra allevati in un ambiente caldo, il ritmo di sviluppo di alcuni tipi di cellule accelerava più velocemente di quello di altri.

In una prestampa ha pubblicato l'anno scorso, ha fornito una spiegazione che coinvolge il meccanismo che produce e degrada le proteine. Alcuni tipi di cellule richiedono un volume maggiore o proteine ​​più complesse rispetto ad altri. Di conseguenza, alcuni tipi di cellule stanno cronicamente “mettendo un carico su questi meccanismi di controllo della qualità delle proteine”, ha affermato. Quando la temperatura aumenta, non hanno la capacità di tenere il passo con il maggiore fabbisogno proteico e quindi il loro orologio interno non riesce ad accelerare e tenere il passo.

In questo senso, gli organismi non mantengono un unico orologio unificato, ma hanno molti orologi per molti tessuti e tipi di cellule. Dal punto di vista evolutivo, questo non è un bug ma una caratteristica: quando i tessuti si sviluppano in modo non sincronizzato tra loro, le parti del corpo possono crescere a velocità diverse, il che può portare all’evoluzione di diversi organismi o addirittura di nuove specie.

Era come se avessero scoperto la manopola di sintonia del metronomo interno della cellula, che permette loro di accelerare o rallentare il ritmo dello sviluppo embrionale. "Non sono le differenze nell'architettura regolatoria dei geni a spiegare queste differenze nei tempi", ha detto Pourquié. I risultati sono stati pubblicato nella Natura all'inizio di quest'anno.

Questa manopola di regolazione metabolica non era limitata all'embrione in via di sviluppo. Iwata e Vanderhaeghen, nel frattempo, hanno scoperto come utilizzare farmaci e genetica per giocare con il ritmo metabolico della maturazione dei neuroni, un processo che, a differenza di quello dell'orologio di segmentazione, che dura solo un paio di giorni, richiede molte settimane o mesi. Quando i neuroni dei topi erano costretti a generare energia più lentamente, anche i neuroni maturavano più lentamente. Al contrario, spostando farmacologicamente i neuroni umani verso un percorso più veloce, i ricercatori potrebbero accelerarne la maturazione. I risultati sono stati pubblicato nella Scienze a gennaio.

Per Vanderhaeghen, la conclusione dei loro esperimenti è chiara: “Il tasso metabolico guida i tempi di sviluppo”.

Tuttavia, anche se il metabolismo è il regolatore a monte di tutti gli altri processi cellulari, tali differenze devono rientrare nella regolazione genetica. È possibile che i mitocondri influenzino i tempi dell'espressione dei geni dello sviluppo o di quelli coinvolti nel meccanismo di produzione, mantenimento e riciclaggio delle proteine.

Una possibilità, ha ipotizzato Vanderhaeghen, è che i metaboliti dei mitocondri siano essenziali per il processo che condensa o espande il DNA ripiegato nei genomi in modo che possa essere trascritto per costruire proteine. Forse, ha suggerito, questi metaboliti limitano il tasso di trascrizione e stabiliscono a livello globale il ritmo con cui le reti di regolazione genetica vengono attivate e disattivate. Questa è solo un'idea, tuttavia, che necessita di un'analisi sperimentale.

C’è anche la questione di cosa fa funzionare i mitocondri in primo luogo. Diaz Cuadros ritiene che la risposta debba risiedere nel DNA: “Da qualche parte nel loro genoma, deve esserci una differenza di sequenza tra topo e uomo che codifica quella differenza nel tasso di sviluppo”.

“Non abbiamo ancora idea di dove sia questa differenza”, ha detto. “Purtroppo siamo ancora molto lontani da questo.”

Trovare questa risposta potrebbe richiedere tempo e, come l’orologio mitocondriale, il progresso scientifico procede a un ritmo tutto suo.

Correzioni, 18 settembre 2023
Nell'introduzione, una frase è stata rivista per chiarire che è il tasso di espressione genetica, non il tasso metabolico complessivo, che aiuta a dirigere il ritmo dello sviluppo. L'articolo è stato anche aggiornato per correggere quali specie nello zoo delle cellule staminali hanno le oscillazioni dell'orologio di segmentazione più veloci e più lente.