Le goccioline di proteine probabilmente non causano il Parkinson

Aggiungere l'aceto all'olio e agitare: si formano goccioline di olio. Il concetto di separazione di fase liquido-liquido è noto nella vita di tutti i giorni da generazioni, ma la sua esistenza nella cellula si è trasformata in uno dei temi più caldi della biologia.

Quindici anni fa è stato scoperto che le molecole proteiche potevano condensarsi in goccioline, isolate dal citoplasma della cellula senza una membrana esterna. Negli embrioni di vermi tondi, si è scoperto che le proteine e l'RNA formano minuscole goccioline che aiutano a gestire il materiale genetico durante le prime fasi di crescita.

Questa scoperta ha dato vita a un nuovo modo di pensare la cellula. Ottimizzata dall'evoluzione, la separazione di fase liquido-liquido potrebbe essere altamente funzionale. Tali goccioline potrebbero consentire alle cellule di compartimentare le molecole e regolare le reazioni biochimiche. Ora che gli occhi si sono aperti a questa possibilità, i ricercatori le hanno trovate ovunque: nel nucleo che aiutano a organizzare il DNA, formando granuli di stress per proteggere e regolare l'mRNA e alle estremità dei microtubuli, agendo come una colla molecolare intelligente per posizionare il nucleo per la divisione cellulare.

Oltre al loro significato funzionale, le goccioline sono state coinvolte nelle malattie. Nel caso delle malattie neurodegenerative caratterizzate dalla formazione di aggregati proteici, come l'Alzheimer e il Parkinson, si è ipotizzato che le goccioline proteiche siano un precursore dell'aggregazione proteica patologica.

L'idea alla base di questa teoria è che le goccioline possano concentrare alcune proteine, spingendole al punto di aggregazione. A sostegno di questa teoria ci sono numerose osservazioni che dimostrano che determinate condizioni, come la concentrazione di sale o il pH, promuovono contemporaneamente l'aggregazione e la condensazione delle proteine. Tuttavia, non è ancora stato dimostrato se - o come - le due cose siano collegate.

Ora, nell'esplorazione più completa finora condotta del rapporto tra aggregazione e separazione di fase liquido-liquido, un gruppo di ricerca guidato dall'Istituto Paul Scherrer PSI ha scoperto che la formazione di gocce non causa l'aggregazione; al contrario, può proteggerla.

Cinquecento condizioni

I ricercatori hanno studiato la proteina alfa-sinucleina (ɑSyn), che si aggrega per formare le fibrille amiloidi che alla fine portano alla morte cellulare nei pazienti con il morbo di Parkinson.

Per individuare il vero legame tra aggregazione e formazione di goccioline, i ricercatori hanno studiato metodicamente il comportamento delle proteine ɑSyn in un'ampia varietà di condizioni: concentrazione della proteina, concentrazione di sali e presenza di varie concentrazioni di agenti di affollamento che imitano il complesso ambiente molecolare del citoplasma. Ognuna di queste condizioni è stata studiata a diversi valori di pH.

In totale, i ricercatori hanno studiato più di cinquecento condizioni diverse. Per ogni condizione, hanno seguito la progressione della formazione o dell'aggregazione delle goccioline per un massimo di quattro mesi, scattando immagini regolari con la microscopia ottica.

Per studiare così tante condizioni, i ricercatori hanno utilizzato l'impianto di cristallizzazione robotizzata della Swiss Light Source SLS. La tecnica è tipicamente utilizzata per preparare cristalli di proteine per gli esperimenti di cristallografia a raggi X.

"La presenza in strutture di grandi dimensioni e la collaborazione con gli scienziati delle linee di luce ci ha permesso di affrontare il problema da un'angolazione diversa", spiega la ricercatrice post-dottorato del PSI Rebecca Sternke-Hoffmann, prima autrice dello studio. "È interessante notare che i cristallografi sapevano da tempo che le proteine potevano formare goccioline. Era solo un'altra cosa che osservavano nella loro ricerca del cristallo perfetto", aggiunge lo scienziato del PSI Jinghui Luo, che ha guidato lo studio.

Per completare la storia macroscopica, i ricercatori hanno utilizzato misure di scattering a raggi X a piccolo angolo (SAXS) presso la Swiss Light Source SLS e hanno condotto simulazioni per comprendere il quadro microscopico.

L'aceto nell'olio e l'aceto nel latte sono processi diversi.

I meticolosi esperimenti hanno rivelato che le condizioni che danno origine a gocce stabili o all'aggregazione delle proteine non sono le stesse. Contrariamente alla teoria convenzionale secondo cui gli aggregati nascono dalle goccioline, i ricercatori hanno dimostrato la formazione indipendente di goccioline e aggregati in αSyn in diverse condizioni di proteine, sale e affollamento.

Grazie al lungo periodo di indagine, i ricercatori hanno potuto verificare se le goccioline si sono realmente evolute in aggregati. La risposta è stata: no, nemmeno dopo centoventi giorni. Anzi, lungi dal promuovere l'aggregazione in fibrille, le goccioline sembravano avere l'effetto opposto. Durante le incubazioni prolungate, le fibrille precedentemente considerate irreversibili si sono trasformate in goccioline.

"Questa osservazione indica un ruolo funzionale delle goccioline liquide nel prevenire la formazione di aggregati solidi in condizioni specifiche", spiega Luo. L'attuale comprensione della separazione di fase liquido-liquido nella cellula la identifica come una caratteristica altamente evoluta associata alla funzionalità, mentre l'aggregazione, in particolare nel caso di αSyn, è associata alla malattia. "Da questo punto di vista, sarebbe piuttosto sorprendente se le goccioline proteiche fossero precursori dell'aggregazione proteica", suggerisce.

Grazie alle misurazioni SAXS, alle simulazioni e all'analisi delle sequenze, i ricercatori hanno potuto comprendere le differenze osservate: l'aggregazione si verifica soprattutto a causa delle interazioni tra le code delle singole molecole proteiche, mentre la separazione di fase liquido-liquido avviene a causa delle interazioni tra le diverse molecole proteiche.

Per collegare la scoperta all'analogia tra olio e acqua: se si aggiunge aceto all'olio, questo forma delle goccioline. Se si aggiunge l'aceto al latte, si formano aggregati duri di proteine. Sebbene l'aceto sia il colpevole in entrambi i casi, processi molto diversi governano l'aggregazione e la formazione di goccioline.

Nuova comprensione molecolare delle malattie neurodegenerative

La comprensione più approfondita della complessa interazione tra aggregazione proteica e separazione di fase liquido-liquido è importante non solo per il Parkinson, ma anche per altre malattie neurodegenerative caratterizzate da aggregazione proteica, tra cui l'Alzheimer, la malattia di Huntingdon e la malattia di Creutzfeldt-Jakob. A sua volta, questo potrebbe portare a nuovi trattamenti.