L’organizzazione del nucleolo guida la biogenesi dei ribosomi

I ribosomi sono macchine molecolari complesse che producono proteine, ovvero i mattoni fondamentali di tutte le cellule. Sono costituiti da una subunità più piccola e una più grande che maturano separatamente e successivamente si uniscono per formare un ribosoma funzionale. La biogenesi dei ribosomi è complessa: inizia con la sintesi di precursori di piccole e grandi subunità nel nucleolo – un compartimento definito del nucleo cellulare – e continua nel citoplasma cellulare. I nucleoli sono organelli molto particolari, formati dalla condensazione di proteine e altri fattori necessari per la biogenesi dei ribosomi in goccioline liquide, un processo chiamato separazione di fase liquido-liquido. Questi condensati simili a liquidi sono privi di membrana, ma presentano una struttura granulare interna dove si ritiene avvenga l’assemblaggio del ribosoma.

Una biogenesi difettosa del ribosoma è riconducibile a diverse malattie umane. La comprensione delle fasi iniziali della formazione dei ribosomi è quindi importante per chiarirne le basi molecolari. Sebbene diversi studi abbiano identificato passaggi chiave della biogenesi dei ribosomi nucleari attraverso l’analisi strutturale di precursori ribosomiali isolati, non è ancora chiaro come i pre-ribosomi vengano assemblati nel loro ambiente naturale.

Philipp Erdmann, Group Leader presso il Centro di Biologia Strutturale di HT, e i suoi collaboratori hanno sfruttato una tecnica di microscopia avanzata chiamata crio-microscopia elettronica (CryoEM) per analizzare la struttura intatta dei nucleoli dell’alga Chlamydomonas reinhardtii e approfondire le conoscenze sul tema. Chlamydomonas è un semplice organismo unicellulare che ha tuttavia molti fattori di biogenesi ribosomiale in comune con le cellule dei mammiferi. I ricercatori hanno dimostrato che nonostante la loro natura liquida e l’assenza di membrane, i nucleoli hanno un‘architettura importante per la biogenesi dei ribosomi. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Nature Communications. 

Gli studiosi hanno raffreddato rapidamente le cellule di Chlamydomonas a temperature estremamente basse, collezionando migliaia di immagini di nucleoli congelati da diverse angolature per ricostruirne la struttura in 3D, un processo noto come tomografia crio-elettronica (Cryo-ET). La tecnica Cryo-ET ha permesso loro di visualizzare i nucleoli nel loro ambiente naturale in 3D, aggirando gli artefatti dovuti all’isolamento dei nucleoli. Hanno fatto una scoperta inaspettata: le particelle precursori ribosomiali piccole e grandi erano distribuite in maniera diversa all’interno e all’esterno del nucleo.

Analizzando in modo più approfondito l’architettura dei nucleoli di Chlamydomonas, i ricercatori hanno visto che la dimensione e la massa delle particelle pre-ribosomiali aumentavano progressivamente quando si muovevano dal centro verso la superficie del nucleolo. Hanno quindi ipotizzato che questo gradiente di particelle – da piccole a grandi – potesse essere collegato alla maturazione dei precursori ribosomiali. In linea con questa ipotesi, Erdmann e i suoi colleghi, hanno identificato tre classi principali di precursori per le subunità piccole e grandi sulla superficie del nucleolo. Il confronto delle ricostruzioni 3D con strutture precedentemente pubblicate ha rivelato che gli intermedi trovati vicino alla superficie nucleolare assomigliavano a intermedi più maturi, sostenendo così che il gradiente osservato delle particelle pre-ribosomiali fornisce un’istantanea spazio-temporale della maturazione del precursore ribosomiale.

In sintesi, i ricercatori propongono un nuovo modello di biogenesi ribosomiale in cui le subunità maturano in maniera progressiva mentre si muovono verso la superficie del nucleolo. È importante sottolineare come gli autori siano riusciti a mostrare che i precursori delle piccole subunità ribosomiali sono quelli che definiscono la transizione delle particelle dall’ambiente liquido del nucleo al nucleoplasma, un passaggio chiave per la maturazione del ribosoma. Ulteriori studi saranno necessari per comprendere come la componente granulare controlli la localizzazione di altri precursori sulla superficie del nucleolo, questo studio fornisce una prima prova a livello molecolare di come posizione e maturazione dei ribosomi siano strettamente collegati. Questi risultati aprono inoltre la strada per capire come la transizione dallo stato liquido del nucleolo all’ambiente citoplasmatico influenzi la biogenesi dei ribosomi.