Ciglia 3D: scoperta una stazione ferroviaria in miniatura

Le ciglia sono organelli allungati che si estendono dalla maggior parte delle cellule eucariote e svolgono molte funzioni, tra cui la motilità e la segnalazione. Insieme ai collaboratori dell’Università di Ginevra (laboratorio Hamel-Guichard) e del Biozentrum, Università di Basilea (Engel Lab), il Pigino Group allo Human Technopole di Milano ha ora rivelato che le ciglia hanno una stazione di trasporto specializzato alla loro base, dove vengono assemblati treni e merci per il trasporto lungo le ciglia. Poiché i difetti in questo sistema di trasporto delle ciglia possono portare a diverse malattie, es. rene policistico o cecità, i risultati pubblicati su “Science” forniscono anche nuove informazioni sulle basi molecolari di numerose cigliopatie.

Le ciglia svolgono numerose funzioni per la cellula: aiutano le cellule a scambiarsi messaggi, a spostarsi, e muovono fluidi sopra a tessuti cellulari all’interno dei nostri organi. L’assemblaggio e la funzione delle ciglia si basano su treni molecolari fatti di proteine che trasportano componenti necessari fino alla zona di assemblaggio alla punta del ciglio (direzione anterograda) per poi tornare di nuovo alla base (direzione retrograda). Il team di ricerca è ora riuscito a esaminare la base del ciglio nel suo ambiente naturale, rivelando per la prima volta la sua struttura 3D nativa. Qui hanno scoperto un trafficato snodo dei trasporti, con treni assemblati e caricati in preparazione per il loro viaggio nelle ciglia.

Stazione di carico per il trasporto ciliare Le ciglia sono saldamente ancorate alla cellula alla loro base. “I treni ciliari sono assemblati qui con una struttura molto simile a quella che abbiamo mostrato in precedenza per i treni anterogradi all’interno del ciglio“. spiega Gaia Pigino, Associate Head del Centro di Biologia Strutturale allo Human Technopole. “Questo suggerisce che l’assemblaggio del treno è già necessario nella fase di reclutamento e carico delle componenti ciliari che devono essere trasportate“, continua Nikolai Klena, co-primo autore dello studio e attualmente postdoc a Human Technopole. Alla base ciliare, i treni in formazione sono prontamente posizionati sulle rotaie, ossia i microtubuli. Ci sono un totale di nove diverse rotaie all’interno delle ciglia, chiamate doppietti di microtubuli. I treni si muovono lungo i microtubuli grazie a motori molecolari specializzati e trasportano proteine ​​come molecole di segnalazione e materiali da costruzione alla punta delle ciglia. Alla stazione di destinazione, il treno viene scaricato e smontato.

Il team ha esaminato in dettaglio la composizione dei treni in formazione, rivelando l’ordine con cui i componenti del treno sono assemblati alla base ciliare. Hanno anche ottenuto immagini tridimensionali delle strutture alla base che fungono da barriera selettiva. “Questa barriera regola l’ingresso dei treni fino a quando non sono completamente assemblati e caricati con le proteine ​​ necessarie per la costruzione e il mantenimento delle ciglia“, afferma Hugo van den Hoek, primo autore dello studio. “Dalla microscopia a fluorescenza, sappiamo anche l’orario esatto dei treni. I treni lasciano la stazione di partenza entro nove secondi, quindi l’intero processo di assemblaggio del treno ricomincia”.

Funzione del sistema di trasporto ciliare Le ciglia sono coinvolte in un’ampia varietà di processi cellulari importanti per il nostro corpo. Ad esempio, ci permettono di vedere, di odorare e percepire suoni, fanno si che polveri, virus e batteri vengano rimossi dai polmoni, che il fluido si muova nei ventricoli del nostro cervello. Sono inoltre essenziali per il nostro sviluppo e la corretta disposizione dei nostri organi. Se la loro funzione è disturbata, può derivare un’ampia varietà di malattie, comprese malattie cardiache, renali e polmonari, cecità o infertilità. Anche le più piccole mutazioni nei singoli componenti possono paralizzare il traffico all’interno delle ciglia. I treni sono costituiti da grandi complessi, composti da numerose proteine, che fungono da adattatori tra i motori molecolari che li muovono e i loro vari carichi. Comprendere in dettaglio il sistema di trasporto e la sua logistica aiuta a capire come le ciglia sono costruite e funzionano. “In futuro, lo studio di come singole proteine costitutive si organizzano a formare la struttura tridimensionale del treno sarà fondamentale per comprendere i loro meccanismi e le basi molecolari delle cigliopatie associate ai malfunzionamenti dei treni stessi“, afferma Gaia Pigino.

Organelli in 3D: le tecniche I ricercatori hanno risolto la struttura e la composizione della base ciliare con l’aiuto di metodi di microscopia complementari.

La crio-microscopia elettronica (crio-EM) è una tecnica di che consente l’analisi di campioni biologici (cellule e molecole) con risoluzione sub-nanometrica.

La crio-microscopia elettronica a scansione a fascio ionico focalizzato (crio-FIB-SEM) e la crio-tomografia elettronica (crio-ET) sono tecnologie di crio-EM che consentono ai ricercatori di combinare immagini 2D di campioni vetrificati da punti di vista diversi per ricostruire immagini 3D (o tomogrammi) di organelli intracellulari e complessi proteici in uno stato nativo nel loro ambiente cellulare.

La microscopia a espansione ultrastrutturale (U-ExM) è invece una tecnica di microscopia a fluorescenza avanzata sviluppata dai laboratori di Hamel e Guichard per mezzo della quale è possibile ottenere immagini ad alta risoluzione di campioni biologici utilizzando microscopi ottici convenzionali. Questa tecnica preserva l’ultrastruttura del campione dopo un processo di espansione che produce un ingrandimento fisico dello stesso.

Pubblicazione Hugo van den Hoek, Nikolai Klena, Mareike A. Jordan, Gonzalo Alvarez Viar, Ricardo D. Righetto, Miroslava Schaffer, Philipp S. Erdmann, William Wan, Stefan Geimer, Jürgen M. Plitzko, Wolfgang Baumeister, Gaia Pigino, Virginie Hamel, Paul Guichard, Benjamin D. Engel: In situ architecture of the ciliary base reveals the stepwise assembly of IFT trains. Science, pubblicato online.