Come i microtubuli partecipano alla segnalazione cellulare

Che si tratti di divisione cellulare, differenziazione, mobilità o morte cellulare programmata, le funzioni più diverse di una cellula dell'organismo umano sono controllate da proteine di segnalazione all'interno della cellula. Ciò include la difesa immunitaria e la lettura delle informazioni genetiche. Originariamente, i comandi provenienti dall'esterno raggiungono la membrana cellulare sotto forma di ormoni, citochine o fattori di crescita, ad esempio, dove si legano ai recettori corrispondenti e vengono poi tradotti in proteine di segnalazione che trasmettono il comando all'interno della cellula. In questo modo, il segnale raggiunge anche i microtubuli attraverso diverse fasi.

I microtubuli sono filamenti proteici centrali del citoscheletro. Proprio come lo scheletro osseo umano sostiene il corpo, il citoscheletro sostiene la cellula. Tuttavia, svolge anche altre funzioni. Se si pensa alla cellula come a una città, i microtubuli costituiscono le strade principali che collegano gli edifici importanti (corrispondenti a organelli come il nucleo cellulare, i mitocondri e i ribosomi) e consentono il trasporto di merci (biomolecole) tra di essi.

La differenza è che i microtubuli sono dinamici: Creano continuamente nuove connessioni e rompono quelle vecchie, riorganizzandosi. Finora si pensava che i microtubuli fossero solo dei ricevitori all'interno della comunicazione cellulare che rispondono a tali comandi modificando la loro dinamica e organizzazione. In realtà, però, svolgono anche la funzione di trasmettere segnali ad altri ricevitori. Quando una proteina si aggancia ad essi, attiva le vie di segnalazione per alcune funzioni cellulari come la difesa immunitaria e la divisione cellulare, che sono di fondamentale importanza per l'organismo. Se non lo facessero, certi comandi non arriverebbero a destinazione e le cellule non funzionerebbero. Gli studi lo hanno dimostrato diversi decenni fa.

Fino a poco tempo fa, tuttavia, non era chiaro come avvenisse a livello molecolare questa trasmissione di segnali attraverso i microtubuli. Un team del Centro di Scienze della Vita del PSI, guidato dal primo autore Sung Choi e dal responsabile del progetto Michel Steinmetz, è ora riuscito a chiarirlo utilizzando l'esempio di una proteina di segnalazione chiamata GEFH1 - in stretta collaborazione con il gruppo di lavoro di Alfred Zippelius del Dipartimento di Biomedicina dell'Università di Basilea.

Come funziona il processo

GEFH1 sta per Guanine Nucleotide Exchange Factor H1 ed è una proteina di segnalazione ben studiata che attiva la cosiddetta via di segnalazione RhoA. Questa via di segnalazione da sola - ed è solo una delle tante - innesca un'intera cascata di processi cellulari che, tra l'altro, controllano la divisione cellulare o la mobilità della cellula in modo che possa partecipare alla guarigione delle ferite, per esempio.

Non appena GEFH1 raggiunge i microtubuli, si aggancia e viene inattivato. Con l'aiuto della microscopia crioelettronica e di indagini biochimiche e biologiche cellulari, il team del PSI è ora in grado di dimostrare che questo legame avviene solo attraverso una parte molecolare molto specifica della proteina, composta da molti aminoacidi, il cosiddetto "dominio C1". "Abbiamo prodotto e testato biotecnologicamente frammenti di GEFH1 in grado di legarsi ai microtubuli", riferisce Sung Choi. "Abbiamo costruito varianti di GEFH1 con siti di aggancio mutati e li abbiamo introdotti nelle cellule per vedere se si legano. Questo ci ha permesso di stabilire chiaramente che il dominio C1 da solo è responsabile del legame". E lo fa esattamente su quattro tubuline, le speciali proteine che compongono i filamenti del microtubulo. GEFH1 si inserisce con il dominio C1 tra di loro in una rientranza come un tappo in un buco adatto. Questo è stato rivelato dal microscopio crioelettronico.

La proteina di segnalazione viene rilasciata quando il microtubulo si dissolve nuovamente nell'ambito della dinamica abituale e il filamento di tubulina si stacca nel punto in cui si trova. Questo attiva la via di segnalazione RhoA per avviare ulteriori processi cellulari.

Un nuovo strumento per la medicina

I risultati dello studio sono utilizzati principalmente per ottenere una comprensione fondamentale dei processi cellulari. "Completano il nostro quadro delle cascate di segnalazione innescate da sostanze messaggere come ormoni e citochine nella cellula", spiega Michel Steinmetz. "Come elemento attivo di questo meccanismo, i microtubuli assumono un'importanza ancora maggiore". Inoltre, una conoscenza più precisa dei processi ci offre nuove possibilità in campo medico. Esistono già modi per bloccare i recettori di alcune proteine di segnalazione sulla membrana cellulare, ad esempio per impedire la crescita delle cellule proliferanti nel cancro o, in altri casi, per promuovere il legame e quindi rafforzare la difesa immunitaria. Ora potrebbe essere possibile sviluppare tali opzioni di intervento a livello del dominio C1 e dei microtubuli. "Avremmo così un ulteriore strumento per intervenire in caso di malfunzionamenti", afferma Sung Choi.

Questa scoperta può probabilmente essere trasferita a molte altre proteine e vie di segnalazione: "Altre proteine di segnalazione, di cui ce ne sono innumerevoli altre oltre a GEFH1, sono strutturate in modo diverso", spiega Michel Steinmetz. "Ma molte di loro hanno anche un dominio C1 e quindi si legano ai microtubuli". Le possibilità di intervento medico, bloccando o promuovendo il legame del dominio C1, sarebbero di conseguenza molto ampie. Un esempio particolarmente rilevante è quello della proteina soppressiva dei tumori RASSF1A, la cui interazione con i microtubuli attraverso il dominio C1 è stata dimostrata nello studio. RASSF1A è uno dei più noti geni soppressori di tumori ed è frequentemente inattivato in più di 40 tipi di cancro umano, tra cui il polmone, il seno, la prostata, il glioma, il neuroblastoma, il mieloma multiplo e il cancro del rene. Ciò illustra la rilevanza terapeutica del meccanismo del dominio C1.

Tuttavia, esistono anche proteine di segnalazione che si legano ai microtubuli senza avere un dominio C1. "Vogliamo scoprire come fanno a farlo in ulteriori studi", afferma Michel Steinmetz. "A tal fine, abbiamo sviluppato una serie di test e procedure che possono essere trasferite per individuare ulteriori meccanismi".