Come le cellule del lievito riconoscono le infezioni genetiche
I ricercatori dell'ETH hanno scoperto un nuovo e sorprendente meccanismo nelle cellule di lievito che permette loro di riconoscere e neutralizzare il materiale genetico estraneo, sia esso proveniente da agenti patogeni o da contaminanti ambientali.
Nella loro lunga storia, i batteri hanno sviluppato un efficace sistema immunitario per riconoscere e respingere l'invasione di materiale genetico estraneo, come virus e altri batteri. Una componente ormai nota di questa difesa immunitaria "innata" degli organismi unicellulari è, ad esempio, il sistema Crispr/Cas, che immagazzina il materiale genetico degli invasori per poterlo riconoscere e combattere in caso di nuova infezione.
Al contrario, non si sapeva se gli eucarioti avessero decisioni analoghe di difesa immunitaria autonoma a livello cellulare. I ricercatori hanno ipotizzato che anche le cellule eucariotiche semplici potessero avere tali meccanismi, ma non sapevano quali. Questo aspetto non è ancora stato analizzato in dettaglio.
Posizione chiave nella compattazione del DNA
I ricercatori guidati da Yves Barral, professore di biochimica all'ETH di Zurigo, hanno ora dato un'occhiata più da vicino e hanno trovato quello che cercavano nelle cellule di lievito. In questi funghi unicellulari hanno scoperto un meccanismo immunitario precedentemente sconosciuto che funziona in un luogo sorprendente: il centromero dei cromosomi. Gli scienziati hanno pubblicato i loro risultati nell'ultimo numero della rivista scientifica "pagina esternaCellula".
Il centromero è il luogo in cui le due parti di un cromosoma, chiamate cromatidi, si uniscono. Qui si forma anche un complesso proteico chiamato cinetocoro. Durante la divisione cellulare, il cosiddetto apparato del fuso vi si aggancia per separare i due cromatidi, allontanarli, lasciare un cromatide nella cellula madre e trasportare l'altro nella cellula figlia. In questo modo il materiale genetico viene distribuito uniformemente tra la cellula madre e quella figlia.
Barral e i suoi colleghi hanno ora dimostrato che il centromero svolge un ruolo chiave nella condensazione dei cromosomi. Determina quando e come un cromosoma si condensa, soprattutto nelle sue immediate vicinanze. Tuttavia, il centromero invia anche segnali molecolari affinché il cromosoma si compatti in modo ottimale alle estremità lontane da esso.
Il DNA estraneo non ha il centromero
Il materiale genetico estraneo, come quello introdotto di tanto in tanto in una cellula sotto forma di DNA virale o di anelli di DNA, o i cromosomi senza centromeri, non possono condensarsi. Di conseguenza, non può attaccarsi al cinetocoro, per cui manca il sito di aggancio per le fibre del fuso.
Durante la divisione cellulare, il materiale genetico non condensato viene riconosciuto e trattenuto attivamente in una delle due future cellule figlie, che i ricercatori chiamano cellula madre. Ciò significa che il materiale genetico estraneo rimane nella cellula madre, mentre la cellula figlia riceve solo il materiale genetico proprio della specie, cioè la metà di tutti i cromatidi come previsto.
Durante la divisione asimmetrica, nella cellula madre si accumula DNA che non ha alcun valore per l'organismo, facendolo invecchiare e morire più rapidamente. In questo modo, le cellule di lievito assicurano che il materiale genetico potenzialmente dannoso non rimanga nella popolazione. Attraverso molte altre divisioni, le cellule figlie possono costituire una popolazione che contiene solo DNA provato.
I centromeri si evolvono rapidamente
Negli ultimi anni le ricerche hanno sorprendentemente scoperto che i centromeri variano notevolmente da specie a specie. "In realtà si dovrebbe supporre che una struttura così centrale e importante non sia praticamente cambiata nel corso della storia evolutiva e che quindi dovrebbe essere molto simile in tutte le specie", spiega Barral.
Il team di ricerca dell'ETH fornisce ora una possibile spiegazione: "La ragione della rapida evoluzione dei centromeri potrebbe essere la corsa agli armamenti tra ospite e patogeno", spiega il biochimico. Gli agenti patogeni imparerebbero molto rapidamente a eludere il controllo che il centromero esercita sulla condensazione dei cromosomi. Ciò potrebbe aumentare la pressione sull'organismo ospite affinché modifichi continuamente il centromero per impedire la trasmissione di materiale genetico estraneo.
"La nostra scoperta che il centromero fa parte della difesa autonoma delle cellule contro il materiale genetico estraneo potrebbe spiegare perché quest'area del cromosoma è così diversa nelle diverse specie".
Il centromero favorisce la nascita di nuove specie?
Queste scoperte potrebbero avere conseguenze anche sullo sviluppo delle specie. Ad esempio, se una popolazione è separata da una barriera geografica, ciascuna delle due sottopopolazioni potrebbe essere esposta a diversi agenti patogeni. Di conseguenza, il centromero si svilupperebbe in modo diverso in ciascuna di esse.
Se gli individui di queste sottopopolazioni dovessero incontrarsi di nuovo dopo qualche tempo, la riproduzione potrebbe essere impedita perché i centromeri non sono più compatibili. "Si tratta solo di speculazioni, ma possiamo immaginare che le due sottopopolazioni non si riconoscano più come specie identiche. Questo meccanismo potrebbe quindi svolgere un ruolo importante nella speciazione", ipotizza Barral.
Lui e il suo team stanno attualmente esaminando il lievito di fissione, un lontano parente del lievito di birra. I cromosomi del lievito di fissione sono simili a quelli degli animali. I ricercatori vogliono scoprire se anche loro hanno un meccanismo di difesa a livello cellulare. Barral è anche alla ricerca di virus che attaccano i funghi. "Non c'è nulla in letteratura. Ma dal momento che i lieviti sono funghi e hanno il meccanismo immunitario descritto ora, presumo che anche i virus attacchino i funghi e introducano il loro materiale genetico nel processo".
Barral e i suoi colleghi hanno lavorato a questo studio per quattro anni. L'idea dell'esistenza di un meccanismo di difesa nei lieviti è nata dieci anni fa, nell'ambito di una ricerca sull'invecchiamento di questi microrganismi. "È evidente che esiste un legame tra l'invecchiamento e la difesa dagli agenti patogeni", afferma il ricercatore. Come le proteine superflue, anche il loro DNA viene smaltito nella cellula madre che invecchia. "Il nuovo lavoro suggerisce che i vari pezzi del puzzle su cui abbiamo lavorato negli ultimi anni si incastrano effettivamente".
Riferimento alla letteratura
Kruitwagen T, Chymkowitch P, Denoth-Lippuner A, Enserink J, Barral Y. I centromeri guidano la condensazione mitotica degli archi cromosomici di lievito. Cell (2018), Vol. 175; Issue 3. DOI: pagina esterna10.1016/j.cell.2018.09.012