Immagine: ( Comunicazione intercellulare). Una cellulaesprime il ligando Delta1 (a sinistra) e una cellula esprime il ligando Delta4 (a destra). Mentre questi due ligandi attivano i recettori cellulari allo stesso modo, lo fanno in diversi modelli nel tempo. In questo modo, una cellula ricevente può decodificare le istruzioni. Credito: Caltech
Un sistema di comunicazione intercellulare di fondamentale importanza è in grado di codificare e trasmettere più messaggi di quanto si pensasse in precedenza.
Gli organismi multicellulari come noi, dipendono da un flusso costante di informazioni tra le cellule che coordinano le loro attività al fine di proliferare e differenziarsi. Decifrare il linguaggio della comunicazione intercellulare è stata a lungo una sfida centrale della biologia. Ora, gli scienziati del Caltech,California Institute of Technology, hanno scoperto che le cellule si sono evolute in modo da trasmettere più messaggi attraverso un singolo percorso, o canale di comunicazione, di quanto si pensasse in precedenza, codificando i messaggi ritmicamente nel tempo.
Il lavoro, condotto nel laboratorio di Michael Elowitz, Professore di biologia e bioingegneria, Howard Hughes Medical Institute Investigator e funzionario esecutivo per l’ingegneria biologica, è stato pubblicato l’8 febbraio dalla rivista Cell.
In particolare, gli scienziati hanno studiato un sistema di comunicazione chiave chiamato “Notch” o “Tacca” che viene utilizzato in quasi tutti i tessuti degli animali. I malfunzionamenti nel percorso Notch contribuiscono a una varietà di tumori e malattie dello sviluppo, rendendolo un obiettivo desiderabile per studiare lo sviluppo di farmaci.
Le cellule svolgono le loro conversazioni usando molecole di comunicazione specializzate chiamate ligandi, che interagiscono con corrispondenti antenne molecolari chiamate recettori. Quando una cellula usa la via Notch per comunicare istruzioni ai suoi vicini – dicendo ad essi di dividersi, per esempio o di differenziarsi in un diverso tipo di cellula – la cellula che invia il messaggio produrrà alcuni ligandi sulla sua superfice Notch. Questi ligandi si legano quindi ai recettori della tacca incorporati nella superficie delle cellule vicine, innescando i recettori per rilasciare molecole modificanti il gene, chiamate fattori di trascrizione, all’interno della cellula. I fattori di trascrizione viaggiano nel nucleo della cellula, dove viene memorizzato il DNA della cellula e vengono attivati geni specifici.
I ligandi sollecitano l’attivazione dei fattori di trascrizione modificando la struttura dei recettori a cui si collegano. Tutti i ligandi modificano i loro recettori in un modo simile e attivano gli stessi fattori di trascrizione in una cellula ricevente, e per questo motivo, gli scienziati hanno generalmente assunto che la cellula ricevente non dovrebbe essere in grado di determinare in modo affidabile quale ligando l’ha attivata e quindi quale messaggio ha ricevuto.
“A prima vista, l’unica spiegazione su come le cellule distinguono tra due ligandi, se non del tutto, sembra essere che devono in qualche modo rilevare con precisione le differenze nel modo in cui i due ligandi attivano il recettore.Tuttavia, tutte le prove finora suggeriscono che le cellule hanno molti problemi ad analizzare in modo preciso i segnali in ingresso “, afferma l’autore principale ed ex studente laureato del laboratorio Elowitz Nagarajan (Sandy) Nandagopal. “Di solito le cellule sono eccellenti nel distinguere tra la presenza o l’assenza di segnale, ma non molto di più. Quindi, la domanda è: ” Come una cellula differenzia due ligandi che sembrano simili?”.
Nandagopal ed i suoi collaboratori si sono chiesti se la risposta fosse nel modello temporale dell’attivazione di Notch da parte di diversi ligandi. Per testare questa ipotesi, il team ha sviluppato un nuovo sistema basato su video attraverso il quale potevano registrare il segnale in tempo reale in ogni singola ceullla.
Tagliando i recettori e i ligandi con marcatori di proteine fluorescenti, il team ha potuto osservare come le molecole interagiscono mentre avviene la segnalazione.
Il team ha studiato due ligandi chimicamente simili, chiamati Delta1 e Delta 4 ed ha scoperto che nonostante la somiglianza dei ligandi i due attivavano lo stesso recettore, ma con pattern temporali sorprendentemente diversi. I ligandi di Delta1 attivavano contemporaneamente gruppi di recettori, inviando improvvisi fattori di trascrizione fino al nucleo tutto in una volta, come un segnale di fumo costituito da pochi sbuffi giganti. Dall’altra parte, i ligandi Delta4 attivavano i recettori individuali in modo sostenuto, inviando un flusso costante di singoli fattori di trascrizione al nucleo, come un flusso costante di fumo.
“Questi due modelli sono la chiave per codificare diverse istruzioni per la cellula”, dicono i ricercatori. In effetti, questo meccanismo ha permesso ai due ligandi di comunicare messaggi radicalmente diversi. Analizzando gli embrioni di pollo, gli autori hanno scoperto che Delta1 attivava la produzione muscolare addominale, mentre Delta4 inibiva fortemente questo processo nelle stesse cellule.
“Le cellule parlano solo una manciata di linguaggi molecolari diversi, ma devono lavorare insieme per svolgere un’incredibile varietà di compiti”, afferma Elowitz. “In genere riteniamo che questi linguaggi siano estremamente semplici, ma osservando le cellule nel processo di comunicazione, possiamo vedere che questi linguaggi sono più sofisticati e hanno un vocabolario più ampio di quanto avessimo mai pensato. E questa è probabilmente solo la punta di un iceberg per la comunicazione intercellulare”.
Fonte: Caltech
