I parassiti con un marcatore di PP1 sorpassano una cellula ospite. Credito:Alice Herneisen/Whitehead Institute
Proprio come gli esseri umani, le piante e i batteri, il parassita unicellulare Toxoplasma gondii (T. gondii) utilizza il calcio come messaggero per coordinare importanti processi cellulari. Ma mentre il messaggero è lo stesso, i percorsi di comunicazione che si formano attorno al calcio differiscono significativamente tra gli organismi.
"Dato che i parassiti del Toxoplasma sono così divergenti da noi, hanno sviluppato i propri insiemi di proteine che sono coinvolte nelle vie di segnalazione del calcio", ha affermato Alice Herneisen, una studentessa laureata nel laboratorio del membro del Whitehead Institute Sebastian Lourido.
Lourido e il suo laboratorio studiano i meccanismi molecolari che consentono al parassita unicellulare T. gondii e ai relativi agenti patogeni di essere così diffusi e potenzialmente mortali, e la segnalazione del calcio è una parte importante del processo di invasione del parassita nei suoi ospiti. "Il calcio governa questa transizione molto importante dai parassiti che si replicano all'interno delle cellule ospiti ai parassiti che lasciano quelle cellule e ne cercano di nuove da infettare", ha affermato Lourido. "Siamo stati davvero interessati al modo in cui il calcio gioca nella regolazione delle proteine all'interno del parassita."
Un articolo pubblicato il 17 agosto su eLife fornisce alcune informazioni. Nell'articolo, Herneisen, Lourido e collaboratori hanno utilizzato un approccio chiamato profilo termico per esaminare ampiamente quali proteine parassitarie sono coinvolte nella segnalazione del calcio in T. gondii. Il nuovo lavoro rivela che una proteina inaspettata svolge un ruolo nelle vie del calcio del parassita e fornisce nuovi bersagli che gli scienziati potrebbero potenzialmente utilizzare per fermare la diffusione del parassita. I dati serviranno anche come risorsa che altri ricercatori sul Toxoplasma possono utilizzare per scoprire se le loro proteine di interesse interagiscono con le vie del calcio nelle cellule parassitarie.
Il riscaldamento è acceso
Quando studiano le vie del calcio negli esseri umani, i ricercatori possono spesso trarre parallelismi dal lavoro sui topi. "Ma i parassiti sono molto diversi da noi", ha detto Lourido. "Tutti i principi che abbiamo appreso sulla segnalazione del calcio negli esseri umani o nei topi non possono essere facilmente tradotti in parassiti".
Quindi, per studiare questi meccanismi nel Toxoplasma, i ricercatori hanno dovuto partire da zero per determinare quali proteine fossero coinvolte. È qui che è entrato in gioco il metodo del profilo termico. Il metodo si basa sull'osservazione che le proteine sono progettate per funzionare bene a temperature specifiche e quando diventa troppo caldo per loro, si sciolgono. Considera le uova:quando le proteine degli albumi e dei tuorli vengono riscaldate in una padella, le proteine iniziano a sciogliersi e rapprendersi. "Quando pensiamo allo scioglimento delle proteine, ciò che intendiamo è che le proteine si disgregano", ha detto Lourido. "Quando le proteine si sbrogliano, espongono catene laterali che si legano l'una all'altra. Smettono di essere singole proteine ben ripiegate e diventano una rete".
Piccole modifiche alla struttura chimica di una proteina, come le modifiche risultanti dal legame di una piccola molecola come il calcio, possono alterare il punto di fusione di una proteina. I ricercatori possono quindi tracciare queste alterazioni utilizzando metodi proteomici. "Le proteine che legano il calcio stanno cambiando in risposta al calcio e, in definitiva, stanno cambiando la loro stabilità termica", ha detto Herneisen. "Questo è un po' il linguaggio delle proteine, alterazioni della loro stabilità termica."
Il metodo di profilazione termica funziona applicando calore alle cellule del parassita e rappresentando graficamente come ciascuna delle proteine del parassita risponde alle variazioni di temperatura in condizioni diverse (ad esempio, la presenza o l'assenza di calcio). In un documento del 2020, i ricercatori hanno utilizzato il metodo di profilazione termica per studiare il ruolo di una proteina chiamata ENH1 nella segnalazione del calcio.
Nel loro nuovo articolo, Lourido e Herneisen hanno studiato l'effetto del calcio su tutte le proteine del parassita utilizzando due approcci. I ricercatori hanno combinato i parassiti con quantità specifiche di calcio, hanno applicato calore e quindi hanno eseguito tecniche di proteomica per monitorare come il calcio ha influenzato il comportamento di fusione di ciascuna proteina. Se il punto di fusione di una proteina fosse più alto o più basso del solito, i ricercatori potrebbero dedurre che quella proteina è stata modificata dal calcio stesso o da un altro attore in una via di segnalazione del calcio.
Hanno quindi trattato i parassiti con una sostanza chimica che li ha indotti a rilasciare il calcio immagazzinato in modo controllato e hanno misurato il modo in cui una modificazione proteica chiamata fosforilazione è cambiata nel tempo. Insieme, questi metodi hanno permesso loro di dedurre come le proteine potrebbero percepire e rispondere al calcio all'interno della rete di segnalazione.
Il loro approccio ha fornito dati su quasi tutte le proteine espresse nelle cellule del parassita, ma i ricercatori si sono concentrati su una particolare proteina chiamata Protein Phosphatase 1 (o PP1). La proteina è onnipresente in molte specie, ma non è mai stata implicata in precedenza nelle vie di segnalazione del calcio. Hanno scoperto che la proteina era concentrata nella parte anteriore del parassita. Questa regione della cellula parassitaria è coinvolta nella motilità e nell'invasione dell'ospite.
Il ruolo della proteina nei parassiti - e negli altri organismi in cui compare - è quello di rimuovere le piccole molecole chiamate fosfati dalle proteine fosforilate. "Questa è una modifica che spesso può cambiare l'attività delle singole proteine, perché è questa grande carica che è stata fissata in modo covalente sulla superficie della proteina", ha detto Lourido. "Questo finisce per essere un principio attraverso il quale vengono regolati molti, molti diversi processi biologici."
Resta da vedere come esattamente PP1 interagisce con il calcio. Quando i ricercatori hanno esaurito il PP1 nelle cellule del parassita, hanno scoperto che la proteina è in qualche modo coinvolta nell'aiutare il parassita ad assorbire il calcio necessario per il movimento. Non è chiaro se effettivamente leghi o meno il calcio o sia coinvolto nel percorso attraverso un altro meccanismo.
Poiché i parassiti utilizzano la segnalazione del calcio per coordinare i cambiamenti del ciclo vitale come l'ingresso o l'uscita dalle cellule ospiti, le informazioni sugli attori chiave nelle vie del calcio potrebbero essere un vantaggio per la salute pubblica. "Questi sono tipi di punti di pressione o hub che sarebbero l'ideale da prendere di mira per prevenire la diffusione e la patogenesi di questi parassiti", ha detto Herneisen.
Herneisen e collaboratori si sono concentrati principalmente su PP1, ma ci sono molte altre proteine da studiare usando i dati di questo progetto. "Penso che parte del motivo per cui ho voluto pubblicare questo documento è che il campo potesse fare i passi successivi", ha detto. "I'm just one person—it would be great if 20 other people find that the protein that they were studying is calcium responsive, and they can chase down the exact reason for that or how it is involved in this greater calcium signaling network. This was exciting for us with regards to PP1, and I'm sure other researchers will make their own connections." + Esplora ulteriormente
