Come le proteine lavorano abilmente insieme

Nel nostro corpo vengono costantemente create nuove cellule attraverso la divisione per sostituire quelle più vecchie o danneggiate. Durante questo processo, anche le informazioni genetiche vengono duplicate e trasmesse alle nuove cellule. Un'interazione sofisticata di molte proteine diverse assicura il corretto svolgimento di questo processo. Queste proteine riparano immediatamente gli errori che si verificano durante la duplicazione del DNA. Tuttavia, lo stesso meccanismo proteico svolge anche un altro compito: nelle cellule sessuali - ovociti e spermatozoi - è responsabile del mescolamento delle informazioni genetiche della parte originaria materna e paterna durante la divisione cellulare. Lo stesso meccanismo deve quindi svolgere due compiti contraddittori: Durante la normale divisione cellulare, chiamata mitosi, assicura la conservazione genetica, mentre durante la produzione dei gameti, chiamata meiosi, assicura la diversità genetica.

Entrambi i compiti sono fondamentali. Se la riparazione del DNA nella mitosi non funziona, può portare al cancro e ad altre malattie. Se, invece, lo scambio di DNA durante la meiosi non avviene correttamente, ciò danneggia la fertilità e la salute della prole. "Sebbene questi processi siano così importanti per la nostra salute, in precedenza si sapeva poco su come funziona e viene regolato l'intero processo", spiega Joao Matos, professore di biochimica all'ETH di Zurigo. Insieme al suo team, ha ora studiato le proteine responsabili e scoperto come si differenziano tra i due compiti.

Un'impresa complessa

Per farlo, i ricercatori hanno prima coltivato in laboratorio un gran numero di cellule di lievito. Questo perché le cellule contengono solo una quantità molto piccola delle proteine coinvolte. La produzione di cellule di lievito ha quindi richiesto molto tempo: I ricercatori hanno coltivato le cellule in 120 contenitori da 6 litri ciascuno, in modo che la divisione avvenisse contemporaneamente in tutte le cellule di lievito. Questo perché la mitosi e la meiosi sono processi molto complessi che si svolgono in fasi precisamente orchestrate. Pertanto, solo in colture cellulari sincronizzate è possibile distinguere quali proteine sono importanti in quale fase e come lavorano insieme.

Era già noto che nel lievito, ma anche nelle piante, negli animali e nell'uomo, un gruppo di sette enzimi è coinvolto nella replicazione del DNA: i cosiddetti RIPE (recombination intermediates processing enzymes). I ricercatori del Fare all'ETH sono ora riusciti a isolare questi RIPE dalle colture cellulari e a identificarli per la prima volta con lo spettrometro di massa, ciascuno proveniente da una fase specifica della divisione cellulare. Allo stesso tempo, hanno utilizzato questo metodo per identificare una serie di altre proteine che contribuiscono a regolare la divisione cellulare.

Gli stessi componenti ricablati

Joao Matos e il suo team sono stati finalmente in grado di mostrare quali RIPE sono importanti per quale fase della divisione cellulare e quali proteine ausiliarie interagiscono con le RIPE. Un primo risultato sorprendente: la quantità di RIPE rimane quasi costante in tutte le fasi della mitosi e della meiosi. "Le cellule quindi non regolano la divisione cellulare e la riparazione del DNA attraverso la produzione delle proteine coinvolte, come avviene in molti altri processi", spiega Matos. Invece, le proteine ausiliarie interagiscono specificamente con gli enzimi RIPE per attivarli o disattivarli in una fase specifica. "Tutti i componenti sono sempre presenti, ma vengono ricablati a seconda del compito", spiega l'ETH.

Ad esempio, i ricercatori hanno riconosciuto che tre delle RIPE, che interagiscono con un gran numero di aiutanti nella maggior parte delle fasi, perdono quasi tutti i loro partner di interazione proprio nella cosiddetta metafase della meiosi, ossia quando il DNA materno e paterno si mescolano. In cambio, in questo momento si forma un complesso proteico diverso. "Questo deve quindi essere responsabile della miscelazione del DNA materno e paterno", conclude Matos. I ricercatori del Fare all'ETH hanno anche identificato una serie di nuove proteine aiutanti il cui ruolo era finora sconosciuto.

La chiave per capire le malattie

I risultati ottenuti dalle cellule di lievito possono essere trasferiti anche all'uomo. Infatti, per ciascuna delle proteine del lievito coinvolte, esiste un equivalente nell'uomo che funziona in modo identico o molto simile. I ricercatori di Matos e altri scienziati possono quindi basarsi su queste scoperte. Ora possono studiare in modo specifico le singole proteine per capire se e come sono coinvolte nello sviluppo delle malattie e, in ultima analisi, trovare una cura.