I biofisici della Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) di Munch hanno sviluppato una nuova teoria, che spiega l'osservazione che le cellule possono percepire le proprie forme, e utilizzare queste informazioni per dirigere la distribuzione delle proteine ​​all'interno della cellula.

Molti processi cellulari dipendono in modo critico dalla precisa distribuzione e configurazione delle proteine ​​sulla membrana cellulare. Diversi studi hanno dimostrato che, oltre alle interazioni proteina-proteina e ai processi di trasporto, la forma delle cellule può anche avere un impatto considerevole sulla formazione del pattern intracellulare. Al contrario, ci sono processi di patterning in cui qualsiasi dipendenza dalla forma cellulare sarebbe deleteria. Usando ovociti di stelle marine come sistema modello, I fisici dell'LMU guidati dal professor Erwin Frey hanno ora spiegato come possono emergere modelli proteici robusti di fronte a drastici cambiamenti nella forma delle cellule. Come Frey e colleghi riportano un nuovo studio che appare sulla rivista Fisica della natura , un gradiente di concentrazione formato all'interno della cellula stessa codifica le informazioni sulla forma della cellula e viene decodificato da modelli proteici auto-organizzati.

Gli ovociti delle stelle marine sono relativamente grandi e trasparenti, e sono quindi adatti per le indagini biochimiche. Poco prima della divisione cellulare meiotica, un'onda di contrazione della membrana passa lungo la membrana cellulare verso la posizione in cui la cellula si divide asimmetricamente. Questa onda di contrazione è innescata dall'enzima legato alla membrana chiamato Rho, la cui attività si propaga come un impulso sulla membrana. L'onda progredisce da quello che è noto come il polo vegetale dell'ovocita al polo animale, dove si trova il nucleo, e si divide asimmetricamente all'arrivo dell'onda.

Per studiare l'influenza dei cambiamenti nella forma delle cellule su questo processo, i ricercatori hanno collocato singoli ovociti in microcamere di forma diversa, costringendo così le celle ad adottare la geometria imposta dal confine di ciascun contenitore. "L'abbiamo trovato, sebbene l'impulso di attivazione di Rho si propaghi in modo corrispondentemente alterato nelle cellule deformate, raggiunge sempre la posizione in cui giace il nucleo, " dice Frey. "Questa affascinante osservazione dimostra che l'impulso Rho riconosce la forma della cellula e si adatta ad essa."

I modelli proteici auto-organizzati possono decodificare le informazioni sulla forma delle cellule

Per comprendere il meccanismo alla base di questa notevole adattabilità, il team ha continuato a sviluppare una teoria biofisica che spiega questa scoperta. Il modello si basa sulla scoperta precedente che il regolatore del ciclo cellulare Cdk1 è distribuito asimmetricamente nel citoplasma dell'ovocita, dove forma un gradiente di concentrazione che si estende dal nucleo nel citoplasma e decade nel tempo. Questo gradiente consente alle proteine ​​sulla membrana di adattarsi alla forma della cellula.

"L'intuizione chiave è che la proteina che attiva Rho misura il gradiente vicino alla membrana e segna una concentrazione soglia del gradiente:forma un profilo di concentrazione frontale sulla membrana, in modo tale che il fronte sia posizionato esattamente alla concentrazione di soglia. In questa posizione frontale, l'attivatore Rho, a sua volta, attiva localmente un impulso di attività di Rho." afferma Wigbers, uno dei primi autori dell'articolo. Quando il gradiente decade, la posizione di questo valore di soglia si sposta a velocità variabile lungo la membrana, a seconda della forma della cellula. Così, attraverso questa gerarchia di profili di concentrazione proteica, le informazioni sulla forma codificate nel gradiente vengono trasformate in una risposta meccanochimica, l'onda di contrazione che passa sopra la membrana.

"I nostri risultati sottolineano l'importanza dell'auto-organizzazione dei modelli proteici gerarchici per la comprensione delle funzioni biologiche, " dice Frey. In effetti, gli autori hanno integrato due principali paradigmi nel campo della formazione del pattern proteico:l'auto-organizzazione basata su meccanismi di reazione-diffusione e lo sfruttamento dell'informazione posizionale. "Crediamo che un tale meccanismo, che utilizza una gerarchia di modelli proteici per codificare informazioni che riflettono la forma delle cellule, potrebbe rappresentare un principio fisico generale per il riconoscimento e la regolazione della forma cellulare, "conclude Frey.