Nel 2018, il laboratorio di Christine Mayr, MD, PhD, presso il Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSK) ha presentato al mondo un componente cellulare chiave che era nascosto in bella vista.
Ora il laboratorio è tornato con importanti risultati che si basano su quella scoperta. Nuovi risultati pubblicati in Cellula molecolare fornire dettagli sull’organizzazione nascosta del citoplasma – la zuppa di liquidi, organelli, proteine e altre molecole all’interno di una cellula. La ricerca mostra che fa una grande differenza il punto in cui in quel brodo cellulare l’RNA messaggero (mRNA) viene tradotto in proteine.
“Conosci il vecchio detto immobiliare: ‘posizione, posizione, posizione.’ Si scopre che si applica anche al modo in cui le proteine vengono prodotte all’interno delle cellule”, afferma il dottor Mayr, biologo molecolare e cellulare presso lo Sloan Kettering Institute, un centro per la ricerca di base e traslazionale all’interno di MSK. “Se viene tradotto qui, ottieni il doppio delle proteine che se fosse tradotto laggiù.”
Questo studio, primo nel suo genere, evidenzia il grado in cui il citoplasma è “meravigliosamente organizzato”, piuttosto che essere solo un grande miscuglio di cose, dice.
Non solo i risultati gettano nuova luce sulla biologia cellulare fondamentale, ma le conoscenze sono anche promettenti per aumentare o alterare la produzione di proteine nei vaccini e nelle terapie mRNA, osservano i ricercatori.
Lo studio è stato condotto dall’ex membro del laboratorio Ellen Horste, PhD, che Mayr ha scelto per il progetto scoraggiante ma entusiasmante quando è entrata nel laboratorio diversi anni fa. La dottoressa Horste ha conseguito il dottorato presso la Gerstner Sloan Kettering Graduate School a giugno e ora lavora per un’azienda di terapia genica.
“Quando abbiamo iniziato, abbiamo avuto difficoltà a ottenere i finanziamenti per questo progetto”, afferma il dott. Mayr. “Tutti pensavano che isolare i singoli componenti sarebbe stato totalmente impossibile. Questo è stato davvero il progetto di Ellen dal suo primo giorno in laboratorio fino all’ultimo giorno. È stato piuttosto impegnativo e non potrei essere più orgoglioso di lei.”
Adattando un approccio comunemente utilizzato dagli immunologi, il team è stato in grado di codificare a colori le singole particelle all’interno delle cellule utilizzando anticorpi e quindi ordinarle in base al colore. Hanno utilizzato il sequenziamento dell’RNA per identificare quali RNA erano associati a quali particelle.
“Ed è stato davvero sorprendente vedere che in ciascuno di questi quartieri intracellulari venivano tradotti tipi molto diversi di mRNA”, afferma il dott. Mayr.
Benvenuti nel quartiere cellulare
La maggior parte dei componenti più conosciuti all’interno di una cellula hanno una forma definita e sono avvolti in una membrana esterna: il nucleo, i mitocondri, i lisosomi, l’apparato di Golgi.
Due dei componenti chiave al centro dello studio del team Mayr non hanno membrane, il che è ciò che li ha resi così difficili da trovare e una sfida da isolare e studiare in laboratorio.
Un breve ripasso di biologia: le cellule costruiscono proteine utilizzando istruzioni codificate nel DNA. Quelle sequenze di DNA vengono trascritte in mRNA all’interno del nucleo cellulare. Questi RNA messaggeri si spostano poi nel citoplasma dove vengono tradotti in una proteina utile.
Il nuovo studio ha dimostrato che il punto in cui avviene questo passaggio di traduzione nel citoplasma non è casuale e che esiste una logica sottostante o un “codice” che dirige gli mRNA verso aree specifiche all’interno della cellula.
“L’intero citoplasma è ben compartimentato”, afferma il dottor Mayr. “Siamo stati in grado di dimostrare che esiste un codice in funzione basato sulle caratteristiche biofisiche dell’mRNA – la loro dimensione e forma – e sulle particolari proteine che legano l’RNA con cui collaborano. Questo codice dirige gli mRNA verso diverse posizioni per la traduzione.”
Indagine sulla traduzione in 3 posizioni all’interno della cellula
Attraverso una serie scrupolosa di esperimenti, il gruppo di ricerca è stato in grado di dimostrare che mRNA di diverse lunghezze e forme tendono a gravitare verso quartieri specifici. E che se si interviene per reindirizzarli in una posizione diversa, ciò può avere un profondo impatto sulla quantità di proteine prodotte e sulla funzione delle proteine.
I ricercatori hanno esaminato gli mRNA che si localizzano sulla superficie del reticolo endoplasmatico (un organello coinvolto nella sintesi proteica e in altre funzioni cellulari). È risaputo che le proteine associate alle membrane cellulari e quelle che vengono secrete dalla cellula per essere utilizzate altrove vengono tradotte lì. La ricerca ha rivelato che quasi il 15% degli mRNA che codificano per proteine non di membrana vengono tradotti anche nel pronto soccorso e codificano per proteine grandi e altamente espresse.
Nel frattempo, gli mRNA che vengono tradotti nel citosol (la parte liquida del citoplasma) tendono ad essere proteine molto piccole.
E gli mRNA che si localizzano sui granuli di TIS tendono ad essere fattori di trascrizione (proteine che regolano la trascrizione dei geni). I granuli TIS sono un componente cellulare privo di membrana scoperto dal laboratorio di Mayr nel 2018. Formano una rete di proteine e mRNA interconnessi e sono strettamente legati al reticolo endoplasmatico, formando uno spazio distinto in cui mRNA e proteine possono raccogliersi e interagire.
Un’immagine al microscopio a fluorescenza di una cellula, con i granuli TIS mostrati in rosso e il reticolo endoplasmatico è mostrato in verde. L’area nera centrale è il nucleo della cellula.
Decifrare il codice
Decifrare il codice relativo al modo in cui l’mRNA si localizza in posizioni diverse ha rivelato alcuni risultati sorprendenti.
Dopo aver scoperto la rete di granuli TIS cinque anni fa, il laboratorio ha rivolto la sua attenzione alla comprensione di quali delle molte migliaia di mRNA presenti in una cellula si localizzano lì e se hanno caratteristiche condivise.
Il team si è concentrato su una parte dell’mRNA che di solito non riceve molta attenzione: la coda. È separato dalla parte centrale dell’mRNA, che contiene le istruzioni per costruire la proteina. Gli scienziati chiamano la coda le tre regioni prime non tradotte (3? UTR), e risulta essere fondamentale per il processo di localizzazione.
“La coda di solito contiene una sequenza più lunga della parte di RNA effettivamente utilizzata per produrre la proteina”, afferma il dott. Mayr. “Ma per molto tempo, le persone non hanno prestato molta attenzione alle regioni della coda poiché è ancora possibile produrre proteine senza di loro.” (Sono importanti anche in altri modi, come ha sottolineato il dottor Mayr in un articolo di revisione del 2019.)
Si scopre che la coda è essenziale per collaborare con le proteine che legano l’RNA in modo che, insieme, l’mRNA vada nella corretta regione di traduzione all’interno della cellula. (Le proteine leganti l’RNA sono un tipo di proteina che si attacca alle molecole di RNA e può modulare vari aspetti della loro attività.)
Inizialmente il team pensava che fossero soprattutto queste proteine che legano l’RNA a dirigere l’azione, guidando gli mRNA verso il quartiere uno, il quartiere due e così via, dice il dottor Mayr.
“Ma la scoperta davvero sorprendente è stata che le proteine che legano l’RNA svolgono effettivamente un ruolo secondario piuttosto che primario nel processo”, afferma.
I ricercatori hanno scoperto che l’ordinamento predefinito dell’mRNA in una posizione si basa sulla dimensione e sulla forma complessive degli mRNA. Ma essere in collaborazione con una proteina legante può ignorare questa impostazione predefinita e reindirizzarli.
“I nostri dati mostrano che se traduci un mRNA nei granuli TIS, la proteina risultante svolgerà una funzione, e se la traduci al di fuori dei granuli TIS, svolgerà una funzione diversa”, afferma. “Ed è così che, negli organismi superiori come noi, una proteina può avere più di una funzione.”
Verso le applicazioni future
Una proteina specifica esaminata dal team durante lo studio è MYC. Il gene MYC è uno degli oncogeni più famosi e le mutazioni in MYC sono alla base dello sviluppo di molti tumori.
“Abbiamo osservato che diversi complessi proteici MYC si formavano solo quando l’mRNA di MYC veniva tradotto nei granuli e non quando veniva tradotto nel citosol”, afferma il dott. Mayr. “I nostri risultati mostrano che c’è un’importante rilevanza biologica per questi quartieri, anche quando solo il 20% circa degli mRNA viene tradotto nei granuli del TIS.”
Insieme, queste intuizioni suggeriscono che l’mRNA potrebbe essere preso di mira per ottenere diverse funzioni, nonché per variare la quantità di una proteina che viene prodotta, aggiunge.
“Quindi speriamo che in futuro potremo creare farmaci più intelligenti sfruttando più o meno un fattore particolare e anche manipolandone la funzione”, afferma il dott. Mayr. “Questo probabilmente non accadrà nei prossimi cinque anni, ma è qualcosa a cui stiamo aprendo la strada.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
