Un nuovo studio dell'Università di Miami e dell'Università del Nebraska-Lincoln ha ribaltato decenni di dottrina su un enzima la cui mutazione o malfunzionamento può scatenare malattie mortali all'inizio della vita. Il team di ricerca, che comprendeva Jonathan Dietz e Javier Seravalli del Nebraska, ha riportato i suoi risultati sulla rivista Nature Communications .

Quell'enzima, la citocromo c ossidasi, risiede nei mitocondri, agendo come un gateway negli organelli cellulari meglio conosciuti per la generazione di energia che alimenta tutti i tipi di operazioni di sostegno vitale. La citocromo c ossidasi è anche tra gli attori finali di una parata di interazioni in stile Rube Goldberg che trasportano e alla fine convertono la valuta biochimica - ossigeno e glucosio - nella molecola che immagazzina energia nota come ATP.

Nemmeno l'assemblaggio della citocromo c ossidasi è un processo semplice. In effetti, i biochimici hanno passato anni a ricostruire il modo in cui l'enorme enzima viene assemblato.

"È un macchinario davvero sofisticato", ha affermato Oleh Khalimonchuk, Susan J. Rosowski Professore di biochimica al Nebraska e uno dei principali coautori dello studio.

I biochimici inizialmente hanno studiato l'enzima in batteri, lieviti e altri organismi unicellulari che hanno sviluppato la citocromo c ossidasi molto prima che lo facessero gli esseri umani. Ma la complessità sia delle cellule umane che dell'enzima, che consiste di più di una dozzina di subunità, ha complicato i tentativi di valutarne l'assemblaggio in quelle cellule. Ad oggi, tuttavia, i ricercatori hanno presunto che l'assemblaggio del nucleo catalitico dell'enzima si svolga negli esseri umani tanto quanto nei microrganismi.

Guidato da Antoni Barrientos ed Eva Nývltová di Miami, il team Hurricane-Husker ha intrapreso il faticoso compito di eliminare, uno per uno, più di una dozzina di geni che dirigono la produzione di proteine ​​e altre molecole che si ritiene assemblano l'enzima negli esseri umani. Analizzando i risultati di ciascuna eliminazione a turno, i ricercatori sono riusciti a identificare gli MVP molecolari sulla catena di montaggio, caratterizzare i loro contributi a tale assemblaggio e determinare il loro ordine di operazioni con una precisione quasi senza precedenti.

Alcuni di ciò che hanno trovato andavano contro la letteratura del settore a lungo accettata.

"Il modo in cui i concetti sono stati presentati negli studi sui batteri e sui lieviti si sono rivelati non esattamente gli stessi nelle cellule umane", ha detto Khalimonchuk dei componenti di assemblaggio degli enzimi. "Penso che questo fondamentalmente rompa un paradigma vecchio di decenni in termini di comportamento di questi fattori."

Una delle principali sorprese è arrivata sotto forma di COX11, una proteina che aiuta l'assemblaggio così critica nel lievito che senza di essa, ha detto Khalimonchuk, "quei mitocondri sono morti nell'acqua". Nelle cellule umane, ha confermato il team, la COX11 collabora con altre proteine ​​per accompagnare gli atomi di rame attraverso una cellula e annidarli in due subunità centrali della citocromo c ossidasi. Da lì, gli atomi di rame aiutano a innescare la produzione di ATP che immagazzina energia accettando elettroni e facendo passare i protoni in un mitocondrio.

Tuttavia, quando i ricercatori hanno eliminato il gene responsabile della COX11, hanno scoperto che le cellule risultanti sono comunque riuscite ad assemblare circa il 15% di citocromo c ossidasi come normalmente fanno, mantenendo circa il 60% della loro normale produzione di ATP. Il team ha successivamente determinato che le cellule umane prive di COX11 possono richiamare altre proteine ​​che, nonostante la media di battuta inferiore, possono effettivamente pizzicare per questo. E quando il team ha manipolato le cellule per sfornare più della proteina che colpisce i pizzicotti nota come PET191, l'assemblaggio di citocromo c ossidasi senza COX11 è passato dal 15% al ​​40%.

"Ha risolto un enigma, perché molte mutazioni nei fattori di assemblaggio della citocromo ossidasi sono collegate a malattie negli esseri umani", ha detto Khalimonchuk. "Ci sono tonnellate di malattie congenite, ma non è mai stata segnalata una mutazione nella COX11, a differenza di qualsiasi altro fattore con cui abbiamo avuto a che fare. Era così bizzarro. Ma ora questi dati spiegano effettivamente il perché:perché è parzialmente superfluo ."

Ma Khalimonchuk e i suoi colleghi hanno anche concluso che la COX11, che si unisce ad alcune proteine ​​fino a quando tali proteine ​​non sono pronte per accompagnare il rame alle subunità centrali dell'enzima, agisce come una salvaguardia regolatoria contro l'accumulo a lungo termine di molecole tossiche. Questo è particolarmente importante, ha detto, dato il cocktail esplosivo di ossigeno e molecole ricche di elettroni che spesso vorticano intorno ai mitocondri.

"Puoi pensare all'ossidasi come a una bomba a orologeria, perché hai tutte queste cose che sono pronte per una reazione immediata:accettare elettroni, reagire con l'ossigeno e così via", ha detto Khalimonchuk. "Quindi tutto deve essere messo a punto e andare a posto (al momento giusto). Se qualcosa non va, se hai un assemblaggio improprio, alcune subunità orfane, qualcosa esposto a un ambiente che non dovrebbe essere, questo è una situazione davvero pericolosa. Si accenderanno immediatamente e questo ha alcune conseguenze piuttosto dannose per una cellula.

"Parte del motivo per cui si ritiene che queste malattie siano così brutte e drastiche è a causa di queste caratteristiche della citocromo ossidasi".

In questo modo, l'analisi delle minuzie della citocromo c ossidasi si rivelerà essenziale per una migliore diagnosi e, infine, per il trattamento delle malattie nefaste che la sua disfunzione può causare, ha detto Khalimonchuk. Un esempio raro ma devastante, la sindrome di Leigh, affligge il sistema nervoso dei neonati, che generalmente sopravvivono non più di pochi anni.

"C'è un intero spettro di malattie congenite", ha detto Khalimonchuk. "Sono tutti a esordio precoce, perché è necessario respirare (e produrre ATP) praticamente dall'inizio. Le malattie mitocondriali sono in generale sgradevoli, ma sono particolarmente sgradevoli."

Nello spiegare il valore dei risultati incentrati sui mitocondri, Khalimonchuk ha citato ricerche recenti che dimostrano che la somministrazione di ossigeno a pazienti con malattie mitocondriali gravi, una tattica comune nei pronto soccorso, è in realtà dannosa.

Questo da solo rappresenta il progresso, ha detto Khalimonchuk. Ma passare da correttivi e raccomandazioni a farmaci potenzialmente salvavita richiederà che i biochimici continuino a pettinare i caratteri piccoli dai manuali di istruzioni della citocromo c ossidasi e da macchinari mitocondriali simili. Ciò significa collaborazione, ha affermato, e disponibilità ad affrontare il "lungo lavoro" del lavoro arduo ma cruciale.

"Ci auguriamo che ci saranno più follow-up, non necessariamente da parte nostra, per comprendere ancora meglio l'intero processo", ha detto Khalimonchuk, "e forse trovare altri pezzi mancanti". + Esplora ulteriormente

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