Da più di mezzo secolo, gli studi sulla rana artigliata africana (Xenopus laevis) hanno aiutato gli scienziati a comprendere meglio le basi biologiche della vita, dallo sviluppo embrionale e neurobiologia alla genetica e alle malattie. Le affermazioni sulla fama della rana includono la scoperta, vincitrice del premio Nobel, che il destino delle cellule adulte può essere riprogrammato, e una volta serviva come unico test di gravidanza affidabile al mondo.

Ora, le nuove tecnologie consentono agli scienziati di apprendere ancora di più sui processi fondamentali che guidano la biologia da questi organismi modello familiari.

Segnalazione in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , un team guidato dal biologo dei sistemi della Harvard Medical School Marc Kirschner descrive un nuovo approccio per identificare e misurare i cambiamenti in migliaia di proteine ​​mentre le uova di Xenopus vengono fecondate.

La loro ricerca rivela aspetti precedentemente opachi dei meccanismi molecolari coinvolti nella fecondazione, compresi i dettagli su come la fecondazione innesca la distruzione di un piccolo numero di proteine ​​​​a bassa abbondanza per rilasciare i "freni" sul ciclo cellulare di un uovo, e come l'ovulo rilascia rapidamente grandi quantità di proteine ​​per aiutare a prevenire la fecondazione da parte di più spermatozoi.

I risultati consentono analisi complete della dinamica delle proteine ​​in una cellula entro una finestra di tempo ristretta, i ricercatori hanno detto, che può informare gli studi sui comportamenti molecolari in un'ampia gamma di sistemi biologici e aiutare a far luce sui cambiamenti cellulari che guidano le malattie.

"Abbiamo sviluppato un metodo che ci fornisce una capacità di fondamentale importanza per quantificare e misurare i livelli assoluti di proteine ​​e modificazioni proteiche in modo dinamico, sistema complesso, " ha detto Kirschner, il professore di biologia dei sistemi della John Franklin Enders University e presidente del Dipartimento di biologia dei sistemi presso la Harvard Medical School.

"Il metodo dovrebbe essere ampiamente utilizzato in molti studi biologici e biomedici, " ha aggiunto Kirschner.

Le uova di xenopus sono state utilizzate per decenni per studiare gli eventi molecolari che si verificano durante la fecondazione, far luce sul ciclo cellulare, divisione cellulare e sviluppo embrionale.

Sebbene si sappia molto da anni di studio, gli scienziati hanno ancora una comprensione incompleta di molti aspetti della fecondazione a causa di limitazioni tecniche, in particolare, un quadro completo delle proteine ​​coinvolte, le loro funzioni e ciò che accade loro nel tempo.

Scansione del codice a barre

Con i colleghi Marc Presler ed Elizabeth Van Itallie, studenti laureati in biologia dei sistemi presso la Harvard Medical School, e Allon Klein e Steven Gygi, professori di biologia dei sistemi e biologia cellulare presso la Harvard Medical School, Kirschner e il team di ricerca hanno utilizzato una tecnica per etichettare le proteine ​​nelle uova di Xenopus con etichette chimiche simili a codici a barre, consentendo agli scienziati di analizzare migliaia di proteine ​​contemporaneamente utilizzando la spettrometria di massa.

In combinazione con una nuova metodologia analitica, questo approccio ha permesso al team di misurare i livelli assoluti di proteine ​​in una cellula e rivelare dettagli sulla fosforilazione di una proteina, una delle principali modifiche chimiche che le cellule usano per regolare l'attività di una proteina.

Effettuare misurazioni durante e fino a 20 minuti dopo la fecondazione, i ricercatori hanno scoperto che i livelli di un piccolo numero di proteine ​​a bassa abbondanza diminuiscono rapidamente.

In pochi minuti, la distruzione di queste proteine ​​provoca l'inversione della fosforilazione di una gamma molto più ampia di proteine ​​in tutta la cellula, un processo che promuove il completamento del ciclo cellulare, compresa la separazione delle copie cromosomiche, che prepara l'uovo per un'ulteriore crescita.

Mentre solo lo 0,01% circa della massa proteica totale della cellula è stato degradato, il team ha scoperto che la fecondazione innesca anche l'espulsione di 50 volte questa quantità di proteine ​​dalla cellula. Conservato principalmente in compartimenti cellulari vicino alla membrana, questi insiemi di proteine ​​sono probabilmente secreti per aiutare a prevenire la fecondazione da parte di più spermatozoi, hanno detto i ricercatori.

Questo rilascio coincide con un sostanziale aumento della fosforilazione per numerose proteine ​​di segnalazione e altre che svolgono un ruolo nel generare onde di contrazione sulla superficie dell'uovo subito dopo la fecondazione.

L'uovo secerne anche diversi enzimi che degradano le proteine ​​all'esterno della cellula, che i ricercatori sospettano aiuti a bloccare più eventi di fecondazione distruggendo le proteine ​​che legano lo sperma. In una constatazione un po' paradossale, il team ha anche osservato un aumento delle proteine ​​che inibiscono l'attività degli enzimi che degradano le proteine. Le ragioni, però, rimangono poco chiari e presentano una strada per studi futuri.

"Siamo stati in grado di osservare sia le caratteristiche nuove che quelle precedentemente note del ciclo cellulare, ma siamo stati anche in grado di districare altri grandi eventi che accadono in parallelo, " Ha detto Presler. "La fecondazione avviene attraverso il coordinamento di migliaia di molecole contemporaneamente, e per la prima volta abbiamo l'opportunità di capirlo su questa scala".

La nuova metodologia consente misure dei livelli assoluti di proteine ​​e fosforilazione attraverso una combinazione di approcci tecnologici e matematici. Rappresenta un miglioramento significativo rispetto alle analisi proteiche su larga scala comunemente utilizzate che possono rendere difficile la previsione accurata delle differenze funzionali.

Migliorando significativamente i dettagli e la scala con cui gli scienziati possono studiare la composizione e le modifiche delle proteine, anche attraverso ristrette finestre di tempo, il team ritiene che queste tecniche possano essere applicate a molti sistemi biologici.

"Per comprendere e curare la malattia, abbiamo bisogno di una comprensione più precisa di ciò che sta accadendo nella normalità, processi sani, " Ha detto Presler. "Abbiamo chiesto quali fossero le differenze molecolari tra un ovulo fecondato e non fecondato, ma questo approccio è immediatamente applicabile per studiare altre questioni importanti, come le differenze tra le cellule che sono in stato di salute e quelle di malattia".

"La biochimica delle proteine ​​guida gran parte della funzione di una cellula, e questa metodologia può darci un quadro più completo di come le cellule fanno ciò che fanno, " Egli ha detto.