I mitocondri sono spesso chiamati centrali elettriche della cellula perché producono l’energia necessaria per funzionare. Per supportare questo ruolo, portano con sé il proprio materiale genetico, noto come DNA mitocondriale (mtDNA).
Ogni cellula contiene centinaia o migliaia di copie di mtDNA. Queste copie sono raggruppate in strutture compatte chiamate nucleoidi. Gli scienziati osservano da tempo che questi nucleoidi sono distanziati in modo regolare all’interno dei mitocondri. Questa organizzazione aiuta a garantire che il DNA mitocondriale venga trasmesso in modo affidabile quando le cellule si dividono e che i suoi geni siano espressi in modo uniforme in tutti i mitocondri.
Quando i mitocondri o il loro DNA non funzionano correttamente, gli effetti possono essere gravi. Le interruzioni sono state collegate a condizioni metaboliche e neurologiche come insufficienza epatica ed encefalopatia, oltre a disturbi legati all’invecchiamento come l’Alzheimer e il morbo di Parkinson.
Un mistero di lunga data nella biologia cellulare
Dato quanto sia importante il mtDNA, i ricercatori hanno cercato di capire come le cellule mantengano una distanza così costante tra i nucleoidi. La risposta è rimasta poco chiara.
“I meccanismi proposti legati alla fusione mitocondriale, alla fissione o al tethering molecolare non possono spiegarlo, poiché la distanza tra nucleoidi viene mantenuta anche quando sono disturbati”, afferma Suliana Manley, professoressa al Laboratory of Experimental Biophysics (LEB) dell’EPFL.
Manley e il suo collega Juan Landoni, borsista post-dottorato presso il LEB, hanno ora identificato il meccanismo responsabile. Il loro lavoro indica un processo chiamato “perlatura mitocondriale”, che in precedenza aveva ricevuto poca attenzione.
La perla mitocondriale è un cambiamento temporaneo di forma in cui i mitocondri formano una struttura che assomiglia a perle su un filo. Durante questa trasformazione, i cluster di mtDNA vengono separati e ridistribuiti. Questo permette ai nucleoidi di distribuirsi in modo più uniforme, mantenendo la loro normale disposizione.
Guardare le mitocondrie in azione
Per studiare questo processo, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di metodi avanzati di imaging per osservare i mitocondri e il loro DNA all’interno delle cellule viventi. Questi includevano imaging a super-risoluzione, microscopia luminosa ed elettronica correlata e microscopia a contrasto di fase.
Con questi strumenti, il team è stato in grado di seguire i singoli nucleoidi, catturare rapidi cambiamenti nella forma mitocondriale e comprendere meglio come sia organizzata la struttura interna.
Cosa succede durante la perla
L’imaging delle cellule vive ha mostrato che gli eventi di perlatura possono verificarsi più volte al minuto. Durante questi momenti, i mitocondri formano brevemente costrizioni equidistanti lungo la loro lunghezza. La distanza tra queste “perle” corrisponde strettamente alla solita distanza tra i nucleoidi.
La maggior parte di queste sezioni simili a perle contiene un nucleoide vicino al centro, anche se le strutture possono formarsi anche senza la presenza di mtDNA.
Man mano che il processo procede, cluster più grandi di nucleoidi spesso si suddividono in gruppi più piccoli che si depositano nelle perle vicine. Quando il mitocondrio torna alla sua forma tubolare normale, i nucleoidi rimangono separati, preservando la loro distribuzione uniforme.
Cosa controlla il processo
I ricercatori hanno anche esplorato cosa guida e regola la perlatura. Attraverso esperimenti genetici e farmacologici, hanno scoperto che l’ingresso del calcio nei mitocondri può scatenare il processo. Inoltre, le strutture interne della membrana aiutano a mantenere la separazione dei nucleoidi.
Quando questi fattori regolatori vengono disturbati, i nucleoidi tendono ad aggregarsi invece di rimanere distribuiti uniformemente.
Una caratteristica riscoperta dei mitocondri
“Da quando Margaret Reed Lewis ha disegnato per la prima volta la perlatura mitocondriale nel 1915, è stata in gran parte liquidata come un’anomalia legata allo stress cellulare”, dice Landoni. “Oltre un secolo dopo, sta emergendo come un meccanismo elegantemente conservato al cuore della biologia mitocondriale. Questo processo biofisico offre un mezzo semplice ed efficiente dal punto di vista energetico per distribuire il genoma mitocondriale.”
Perché questa scoperta è importante
I risultati mostrano che le cellule dipendono non solo da sistemi molecolari complessi, ma anche da processi fisici per rimanere organizzate. Comprendere come funziona la perla mitocondriale e come viene controllata potrebbe fornire importanti informazioni sulle malattie legate al mtDNA.
Questa conoscenza potrebbe infine aiutare a orientare nuovi approcci per trattare condizioni associate alla disfunzione mitocondriale.
Altri collaboratori
- Pontificia Universidad Católica de Chile
- Istituto Medico Howard Hughes
- Università della California, San Francisco
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