Come i legami molecolari e la replicazione asincrona guidano la proliferazione dei parassiti

I parassiti della malaria si riproducono in un modo insolito. Invece di dividersi in due cellule figlie come le cellule umane, amplificano prima il loro materiale genetico di dieci, cento o addirittura mille volte, prima di produrre simultaneamente un numero corrispondente di parassiti figli. Fino ad ora, i meccanismi che controllano questi processi erano solo parzialmente compresi.

Due studi pubblicati di recente da ricercatori della Facoltà di Medicina dell’Università di Heidelberg, della Harvard Medical School e del Centro tedesco per la ricerca sul cancro (DKFZ) forniscono importanti informazioni sulle basi molecolari di questa strategia di proliferazione e rivelano come il parassita sfrutti in modo particolarmente efficiente le risorse limitate all’interno delle cellule ematiche infette. I risultati aprono nuove prospettive per lo sviluppo di futuri farmaci antimalarici.

I parassiti figli in crescita fissano il loro nucleo con un legame molecolare

Il primo progetto, pubblicato su The EMBO Journal , è stato condotto grazie alla stretta collaborazione tra i gruppi di ricerca del professor Friedrich Frischknecht della Facoltà di Medicina dell’Università di Heidelberg e del Dipartimento di Parassitologia del Centro per le Malattie Infettive dell’Ospedale Universitario di Heidelberg (UKHD), e del professor Jeffrey Dvorin del Boston Children’s Hospital e della Harvard Medical School di Boston, negli Stati Uniti. Insieme, i team hanno studiato una struttura enigmatica all’interno del parassita della malaria, precedentemente osservata in immagini di microscopia elettronica, ma la cui funzione rimaneva sconosciuta.

I ricercatori hanno identificato due proteine ​​che formano questa struttura, creando un legame molecolare che collega ciascuno dei nuovi nuclei del parassita all’estremità di un parassita figlio in via di sviluppo. In assenza di questo legame, la formazione di parassiti figli all’interno delle cellule del sangue risultava gravemente compromessa.

I parassiti geneticamente modificati, privi di una componente del legame, erano ancora in grado di replicare normalmente il proprio genoma, ma non potevano più produrre prole vitale. Le conseguenze furono particolarmente drammatiche nelle zanzare, dove la formazione di sporozoiti, lo stadio infettivo trasmesso all’uomo tramite la puntura di una zanzara, fu quasi completamente abolita.

“Senza questa struttura di collegamento, l’intero processo di formazione del parassita figlio collassa”, spiega Frischknecht. “I parassiti in via di sviluppo non sono in grado di ritrarre il nucleo all’interno e non riescono a orientare correttamente le strutture cellulari importanti per l’invasione della cellula ospite. Questi parassiti di Plasmodium non sono vitali.”

Una risorsa proteica limitante coordina la moltiplicazione nucleare

Nel secondo progetto, recentemente pubblicato su Nature Communications , i ricercatori hanno studiato come vengono generati i nuclei dei parassiti. Per questo studio, il gruppo del Dr. Markus Ganter della Facoltà di Medicina dell’Università di Heidelberg e del Dipartimento di Parassitologia dell’UKHD ha collaborato con scienziati dell’Istituto di Fisica Teorica e del Centro BioQuant dell’Università di Heidelberg, nonché con la Divisione di Biologia Teorica dei Sistemi del DKFZ, diretta dal Dr. Nils Becker.

Durante la fase ematica dell’infezione, il parassita della malaria moltiplica i suoi nuclei attraverso un insolito processo asincrono, nonostante risieda nella stessa cellula. Mentre un nucleo può replicare il proprio genoma, un nucleo adiacente può già essere in fase di divisione. Utilizzando la microscopia ad alta risoluzione su cellule vive e la modellazione matematica, i ricercatori hanno dimostrato che i nuclei competono per una risorsa proteica condivisa e limitata, necessaria per la replicazione del genoma.

Di conseguenza, i nuclei replicano i loro genomi in momenti diversi. Mentre un nucleo accede a questa risorsa proteica limitante e duplica il suo materiale genetico, i nuclei rimanenti devono attendere che la risorsa torni disponibile. In questo modo, all’interno del parassita si può instaurare una moltiplicazione nucleare asincrona.

Inaspettatamente, questo sistema non rallenta la proliferazione dei parassiti. Al contrario, la modellazione matematica e la validazione sperimentale hanno dimostrato che le risorse disponibili vengono utilizzate praticamente senza tempi morti, consentendo ai parassiti di proliferare in modo particolarmente efficiente e persino leggermente più velocemente di quanto sarebbe possibile se tutti i nuclei si replicassero in modo completamente sincronizzato.

“Se tutti i nuclei dovessero duplicare i loro genomi simultaneamente, dovrebbero condividere le risorse proteiche disponibili, il che rallenterebbe il processo”, afferma Ganter. Ha condotto le sue precedenti ricerche insieme a Dvorin durante il periodo in cui entrambi erano borsisti post-dottorato presso la Harvard TH Chan School of Public Health.

I meccanismi di proliferazione altamente specializzati potrebbero rivelarsi il tallone d’Achille

“I parassiti della malaria hanno sviluppato strategie altamente specializzate per riprodursi nel modo più rapido ed efficiente possibile. Questi meccanismi insoliti potrebbero rivelarsi il loro tallone d’Achille”, afferma Frischknecht. “Quanto meglio li comprendiamo, tanto più precisamente potremo identificare nuovi bersagli per lo sviluppo di farmaci in futuro.”

Gli attuali farmaci antimalarici interferiscono con la moltiplicazione del parassita nelle cellule del sangue, mentre alcuni agiscono anche sul fegato. Tuttavia, gli agenti patogeni si adattano rapidamente e spesso sviluppano resistenza ai farmaci.

I parassiti della malaria proliferano sia negli esseri umani che nella zanzara vettore. Negli esseri umani, un singolo parassita all’interno di una cellula epatica può generare una popolazione di decine di migliaia di parassiti che successivamente si disperdono e infettano i globuli rossi. All’interno dei globuli rossi, ogni parassita produce circa 30 parassiti figli.

Nelle zanzare, il parassita si moltiplica rapidamente all’interno di strutture cistiche presenti nella parete intestinale. Un singolo parassita può generare circa 5.000 discendenti, che migrano verso le ghiandole salivari e vengono trasmessi all’ospite umano durante il successivo pasto di sangue della zanzara.

Abstract 01

I parassiti del genere Plasmodium , agenti eziologici della malaria, si replicano in modo complesso all’interno di ospiti vertebrati e insetti, offrendo opportunità uniche per interventi terapeutici. Una sfida fondamentale durante questi eventi replicativi, ovvero la schizogonia negli eritrociti dei vertebrati e la sporogonia negli oocisti delle zanzare, è garantire la corretta ripartizione dei nuclei e degli organelli nelle numerose cellule figlie che si formano simultaneamente da un’unica cellula parentale. Sebbene si ipotizzi che i centri di organizzazione dei microtubuli nucleari, o placche centriolari (CP), svolgano un ruolo centrale in questo processo, i mediatori molecolari che collegano le CP agli organelli rimangono ancora da definire completamente. In questo studio, caratterizziamo il ruolo di due omologhi dell’assemblatore delle fibre striate (SFA), SFA1 e SFA2, nella replicazione di Plasmodium falciparum e Plasmodium berghei in due ospiti. Dimostriamo che queste SFA formano un ponte fisico tra il CP e i poli apicali nascenti delle cellule figlie, facilitando la formazione di una progenie ad alta fedeltà durante la schizogonia e la sporogonia. La perdita della funzione delle SFA compromette la formazione di merozoiti e sporozoiti, con profonde conseguenze per la trasmissione. Questi risultati identificano le SFA come organizzatori essenziali della morfogenesi del parassita e potenziali bersagli per terapie antimalariche.

Abstract 02

Il parassita unicellulare della malaria Plasmodium falciparum prolifera all’interno dei globuli rossi del suo ospite umano, dove genera circa 20 nuovi parassiti in un ciclo di sviluppo di due giorni. Prima della cellularizzazione e del rilascio delle cellule figlie, i nuclei si moltiplicano in un citoplasma condiviso. In netto contrasto con i cicli di divisione nucleare altamente sincronizzati osservati in altri eucarioti in via di sviluppo, i cicli nucleari del Plasmodium si desincronizzano rapidamente. Combinando l’imaging di cellule vive con la modellizzazione biofisica, abbiamo chiarito il meccanismo di desincronizzazione e studiato il suo impatto sulla proliferazione del parassita. Abbiamo scoperto che i modelli standard di cicli nucleari autonomi non sono in grado di spiegare i dati sperimentali e, pertanto, la desincronizzazione richiede l’accoppiamento nucleare. La competizione per una quantità limitata di proteine ​​necessarie per la replicazione del DNA spiega i dati, a condizione che queste vengano allocate sequenzialmente ai singoli nuclei. L’allocazione sequenziale può essere ottenuta mediante un’associazione reversibile ma stabile delle risorse con il DNA. Sorprendentemente, i cicli nucleari asincroni risultanti accelerano la proliferazione del parassita minimizzando i tempi di inattività della risorsa. Questo meccanismo potrebbe rappresentare una strategia generale per massimizzare la proliferazione in condizioni di crescita subottimali. Nel complesso, i nostri risultati identificano l’asincronia del ciclo nucleare come un mezzo efficiente in termini di risorse per ottenere una rapida proliferazione.

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