Identificata una nuova proteina regolatrice del citoscheletro neuronale
La crescita e la funzione delle cellule nervose si basano su una struttura reticolare chiamata scheletro periodico associato alla membrana (MPS). Tuttavia, il modo in cui l'organizzazione dell'MPS è controllata non è stato finora chiarito. Un'équipe degli Istituti Max Planck per la ricerca medica e per le scienze multidisciplinari ha ora scoperto che è regolata dalla concentrazione della proteina paralemmina-1.
Identificato il ruolo chiave della paralemmina-1
La natura ha sviluppato una struttura unica come impalcatura per quasi tutte le cellule nervose: lo scheletro periodico associato alla membrana, MPS. Questa struttura citoscheletrica specializzata si trova sotto la membrana cellulare ed è costituita da numerose proteine disposte in modo periodico. L'MPS è coinvolto in vari processi cellulari, come la segnalazione inter- e intracellulare. Ad oggi, sono state identificate molte proteine che interagiscono con l'MPS, ma i meccanismi alla base della sua organizzazione non sono ancora del tutto compresi.
"Il nostro lavoro è partito dalla domanda se la paralemmina-1 sia associata all'MPS nei neuroni", spiega Victor Macarrón-Palacios del Max Planck Institute (MPI) per la ricerca medica di Heidelberg. "Alla fine, siamo riusciti a dimostrare che paralemmin-1 è effettivamente associato e che svolge un ruolo chiave: regola l'organizzazione della MPS".
La nanoscopia fornisce intuizioni cruciali
La visualizzazione dell'MPS non è possibile con le tecniche di microscopia convenzionali, ma solo con la nanoscopia. Per il loro studio, gli scienziati del MPI for Medical Research hanno utilizzato una nanoscopia a fluorescenza all'avanguardia: la microscopia STED e MINFLUX, per la quale il direttore del Max Planck Stefan Hell ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 2014.
Una collaborazione tra l'MPI per la ricerca medica e l'MPI per le scienze multidisciplinari di Göttingen ha portato a questo progetto di successo. Manfred W. Kilimann, professore universitario in pensione e ricercatore ospite del MPI per le Scienze Multidisciplinari, ha avviato lo studio e ha fornito al team di Heidelberg guidato da Elisa D'Este i risultati e i materiali raccolti nel suo laboratorio. Ciò ha permesso a Victor Macarrón-Palacios di studiare il citoscheletro neurale nella sua tesi di dottorato. Queste scoperte sono state ulteriormente integrate da tecniche biochimiche e dalla competenza e dal supporto dell'intero team scientifico: un perfetto esempio di collaborazione interdisciplinare e sinergia tra i due istituti. Ulteriori contributi a questo lavoro di ricerca sono arrivati da scienziati delle università di Heidelberg e Uppsala (Svezia).
I ricercatori sono riusciti a dimostrare che la concentrazione di paralemmina-1 è di fondamentale importanza per controllare l'organizzazione su scala nanometrica dell'impalcatura periodica del citoscheletro: "Alti livelli di paralemmin-1 danno luogo a una disposizione periodica estremamente stretta, mentre livelli più bassi portano a un MPS scarsamente organizzato", riferisce Manfred W. Kilimann. Inoltre, l'assenza di paralemmin-1 influisce sulle proprietà elettrofisiologiche dei neuroni, in particolare sulla trasmissione del segnale elettrico tra di essi. Il team è riuscito anche a dimostrare che la capacità di paralemmin-1 di svolgere la sua funzione dipende da un singolo amminoacido triptofano, W54.
Una comprensione più approfondita della famiglia di proteine paralemmin e della MPS
"Studiando paralemmin-1, abbiamo identificato un meccanismo che regola la struttura fine dell'MPS nei neuroni", spiega Victor Macarrón-Palacios. In questo processo, paralemmin-1 lega la proteina ßII-spectrina, un componente importante del citoscheletro neuronale, in un dominio che è soggetto a mutazioni. Queste mutazioni sono responsabili di disturbi dello sviluppo neurologico nell'uomo. In questo caso c'è un grande potenziale per ulteriori ricerche: la funzione e la regolazione della MPS stanno appena iniziando a emergere.
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Pubblicazione originale
Victor Macarrón-Palacios, Jasmine Hubrich, Maria Augusta do Rego Barros Fernandes Lima, Nicole G. Metzendorf, Simon Kneilmann, Marleen Trapp, Claudio Acuna, Annarita Patrizi, Elisa D’Este, Manfred W. Kilimann; "Paralemmin-1 controls the nanoarchitecture of the neuronal submembrane cytoskeleton"; Science Advances, Volume 11
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