Un mandrino (in alto, a sinistra) è un'elaborata struttura a forma di calcio che separa fisicamente i cromosomi durante la divisione cellulare, assicurando che ogni cellula appena divisa ottenga la giusta quantità di materiale genetico. Il blu rappresenta i cromosomi, e due componenti del mandrino sono mostrati in verde e rosso; verdi sono fibre chiamate microtubuli che si attaccano ai cromosomi, e la proteina rossa segna le due estremità del fuso. L'immagine in basso a destra rappresenta un fuso in cui due proteine - KLP-15 e KLP-16 - sono state eliminate nella ricerca di Sadie Wignall, facendo crollare la struttura del fuso in una palla rotonda disordinata. Credito:Northwestern University
Due recenti studi della Northwestern University hanno gettato nuova luce sul mistero della principale causa di difetti alla nascita e aborto spontaneo, gettando le basi per ulteriori ricerche in un campo poco studiato ma di fondamentale importanza dello studio genetico.
Gli studi esaminano cosa succede durante il processo che produce cellule uovo (ovociti), che poi diventano embrioni quando vengono fecondati. Dal 10 al 25 percento degli embrioni umani contengono un numero sbagliato di cromosomi perché l'ovulo non si è diviso correttamente, che è un problema unico per le cellule uovo.
Questi errori sono la principale causa di aborti spontanei e difetti alla nascita come la sindrome di Down, e l'incidenza di questi errori aumenta drammaticamente con l'età delle donne. Capire perché le cellule uovo sono più inclini a questo errore di divisione è fondamentale, dato che le donne scelgono sempre più di iniziare una famiglia in età più avanzata.
Il primo studio, pubblicato in Journal of Cell Biology a marzo, ha rivelato che gli ovociti utilizzano una strategia innovativa per rilevare e prevenire errori durante la divisione cellulare, mentre il secondo studio, pubblicato il 26 settembre in Genetica PLOS , ha identificato nuove proteine essenziali per il processo di divisione cellulare e ha scoperto che una proteina di riserva interviene quando la divisione non riesce a garantire che l'embrione riceva il numero corretto di cromosomi.
"Presi insieme, questi due studi ci hanno rivelato quanto siano molto diverse le cellule uovo da ogni altro tipo di cellula, che potrebbe gettare nuova luce sul motivo per cui il processo riproduttivo può essere così soggetto a errori, " ha detto l'autore senior Sadie Wignall, assistente professore di bioscienze molecolari al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. "Risolvere questo mistero sarebbe un primo passo per prolungare gli anni fertili di una donna".
Wignall ricerca una struttura chiamata fuso, un'elaborata struttura a forma di calcio che separa fisicamente i cromosomi durante la divisione cellulare. Nella maggior parte delle cellule, strutture chiamate centrosomi aiutano a organizzare il fuso, assicurando che possa separare con precisione i cromosomi per inviare il numero corretto di cromosomi a ciascuna cellula appena divisa. Mandrini nelle cellule uovo, però, mancano centrosomi. Questo processo "acentrosomiale" è molto poco studiato rispetto ad altri tipi di divisione cellulare, portando a importanti domande senza risposta sul perché è molto più incline all'errore durante la divisione.
Questo grafico a linee illustra come l'incidenza di difetti alla nascita o aborti causati da un numero errato di cromosomi aumenti con l'età delle donne, e aumenta notevolmente dopo i 35 anni. Credito: Biologia cellulare molecolare , ottava edizione -- libro di testo
Nello studio pubblicato a settembre, Wignall e il suo team hanno scoperto che in assenza di centrosomi, due proteine - KLP-15 e KLP-16 - erano essenziali per dividere le cellule. I ricercatori hanno eliminato queste due proteine per scoprire che invece di formare il normale fuso a forma di calcio, la struttura del fuso è crollata in una palla rotonda disordinata. Con loro grande sorpresa, nonostante questo difetto precoce, una proteina di riserva è poi intervenuta e ha contribuito a separare i cromosomi alle due estremità della cellula.
"Siamo rimasti sorpresi di scoprire che questa proteina è venuta in soccorso e ha funzionato come backup per organizzare correttamente il fuso, "Ha detto Wignall.
La domanda rimane perché dal 10 al 25 percento degli embrioni finiscono per non essere vitali se c'è questo processo di backup in atto negli ovociti. Una teoria, Wignall ha detto, è che questa proteina di riserva cambia o si esaurisce con l'età delle donne.
"Anche se questi meccanismi cellulari di base potrebbero essere difficili da comprendere, hanno un impatto diretto sulla riproduzione e l'infertilità femminile, " ha detto Wignall. "Il mio laboratorio si concentra su questo con la speranza che un giorno, la nostra ricerca può aiutare le persone che hanno problemi di fertilità nelle cliniche di fecondazione in vitro".
Wignall svolge le sue ricerche sugli ovociti utilizzando piccoli vermi chiamati C. elegans poiché sono un potente organismo di ricerca per studi genetici. Però, il suo laboratorio si sta anche basando su questi risultati per eseguire studi paralleli sui topi in collaborazione con Teresa Woodruff, uno scienziato riproduttivo e direttore del Women's Health Research Institute presso la Northwestern University Feinberg School of Medicine. Il prossimo passo sarà studiare questi meccanismi negli ovociti umani.
Amanda C. Davis-Roca, uno studente laureato nel laboratorio di Wignall, è stato il primo autore dello studio pubblicato a marzo, "Gli ovociti di Caenorhabditis elegans rilevano errori meiotici in assenza di attacchi cinetocore canonici end-on". Timothy J. Mullen, un altro studente laureato nel laboratorio di Wignall, è stato il primo autore dello studio pubblicato a settembre, "L'interazione tra il raggruppamento dei microtubuli e i fattori di smistamento garantisce la stabilità del fuso centriolore durante la meiosi degli ovociti di C. elegans".
