I condensati molecolari, la separazione di fase e il loro ruolo nelle malattie rare

di Serena Carra

Immaginate di concentrare tutte le persone del mondo nel Grande Lago Salato dello Utah e che queste persone si muovano continuamente, anche ad alta velocità. Questo è ciò che accade ai 5 bilioni di proteine presenti nelle cellule umane! In queste condizioni, com’è possibile che le molecole segnale trovino i loro specifici recettori e che gli enzimi trovino i loro specifici substrati, in modo da permettere alle cellule di rispondere agli stimoli, crescere e funzionare? Come fanno le cellule ad organizzare il loro spazio intracellulare in compartimenti con composizione diversa in grado di espletare funzioni specifiche?

Le cellule eucariotiche sono strutture altamente compartimentalizzate con elevata densità di componenti, in grado di recepire stimoli eterogenei di natura meccanica, chimica, elettrica e, attraverso una rapida riorganizzazione spazio-temporale, di rispondere in tempi rapidi agli stimoli ricevuti modificando l’espressione genica, la sintesi proteica, e le reazioni metaboliche.

Recenti studi hanno evidenziato che le cellule utilizzano un processo biofisico noto come separazione di fase liquido-liquido (LLPS), nel quale una soluzione omogenea si separa in due fasi liquide, una più diluita ed una più densa; in questo modo le cellule danno origine a compartimenti subcellulari dinamici, privi di membrana e con composizione eterogenea, detti condensati molecolari. I condensati molecolari appaiono come goccioline di aceto balsamico su uno strato oleoso e possono contenere da centinaia a migliaia di proteine. Una classe specifica di proteine, quelle intrinsecamente disordinate, è in grado di indurre il processo di separazione di fase liquido-liquido: queste proteine fungono da “collante” e attraverso interazioni multivalenti si auto assemblano e formano spontaneamente delle goccioline all’interno del citoplasma e del nucleoplasma, sequestrando specifici componenti (detti clienti) al loro interno ed escludendone altri. In questo modo, i condensati modulano le reazioni biochimiche, facilitandole, quando concentrano sia enzimi che substrati al loro interno, o inibendole, quando sequestrano solo uno dei due componenti. Analogamente alle proteine intrinsecamente disordinate, alcuni acidi nucleici, in particolar modo gli RNA, fungono da supporto e favoriscono l’assemblaggio di condensati molecolari, concentrando specifiche proteine (clienti) nel citoplasma e nel nucleoplasma, e dando origine a strutture transienti che per la loro selettiva composizione espletano precise funzioni biologiche. Quindi i condensati sono presenti ovunque nelle cellule e regolano innumerevoli processi biologici, dall’espressione genica al silenziamento di specifiche regioni cromatiniche, dall’assemblaggio dei ribosomi alla sintesi proteica, dal trasporto degli RNA alla degradazione autofagica, dalla risposta allo stress all’attività sinaptica, dalla formazione di filamenti all’organizzazione del fuso mitotico, che è essenziale per la divisione cellulare.

A differenza degli aggregati proteici, strutture statiche all’interno delle quali componenti intracellulari eterogenei sono intrappolati e il cui accumulo è associato a tossicità cellulare, invecchiamento, nonché alla progressione di numerose patologie neurodegenerative, i condensati molecolari sono altamente dinamici e le molecole al loro interno sono mobili. Le cellule utilizzano vari meccanismi per regolare la formazione dei condensati, monitorarne la composizione e indurne la dissoluzione. Ad esempio, il sistema di controllo di qualità delle proteine partecipa ai processi di sorveglianza della composizione dei condensati; il disassemblaggio dei condensati può essere indotto rapidamente in risposta ad alterazioni della concentrazione proteica o a modificazioni chimiche (post-traduzionali) delle proteine stesse o degli acidi nucleici. Inoltre, cambiamenti chimici e fisici all’interno della cellula, quali alterazioni di pH, osmoliti, ioni, metaboliti, possono stimolare o inibire la formazione dei condensati. Il campo di ricerca della separazione di fase liquido-liquido è ancora giovane e gli studi sono attualmente focalizzati sull’identificazione delle sequenze aminoacidiche che fungono da “collante” e sulla comprensione di come cambiamenti della soluzione (citoplasma o nucleoplasma) influenzano il processo di separazione di fase liquido-liquido. Queste nozioni sono fondamentali per capire come le cellule regolano l’assemblaggio ed il disassemblaggio dei condensati, e quindi la loro capacità di rispondere a stimoli e modulare le proprie attività biologiche. Inoltre, queste nozioni ci permetteranno di identificare approcci per manipolare e mantenere il processo di separazione di fase liquido-liquido, con importanti risvolti a livello terapeutico. Infatti, le proprietà biofisiche che permettono alle proteine di auto assemblarsi all’interno dei condensati conferiscono loro un’elevata instabilità e ne aumentano la propensità ad assumere conformazioni aggregate. Ad esempio, le proteine tau, TDP-43 e FUS, componenti degli aggregati proteici associati a malattia di Alzheimer, Parkinson e Sclerosi Laterale Amiotrofica formano condensati che subiscono spontaneamente conversione di fase da uno stato liquido-gelatinoso, considerato fisiologico, ad uno stato solido-aggregato, considerato patologico. Le mutazioni genetiche associate a tali patologie tendono ad accelerare la conversione delle goccioline in aggregati proteici che esercitano effetti tossici a livello cellulare. Pertanto le fasi liquide precederebbero la formazione di aggregati irreversibili e tali conversioni di fase aberranti parteciperebbero alla progressione di queste patologie influenzando sia la funzionalità delle proteine tau, TDP-43 e FUS stesse, sia quella dei condensati nei quali esse sono concentrate, la cui organizzazione spazio-temporale è alterata. Tuttavia, è importante menzionare che alcune proteine possono aggregare con meccanismi indipendenti dal processo di separazione di fase liquido-liquido, passando da uno stato solubile ad uno stato aggregato senza transitare attraverso un condensato molecolare. Transizioni di fase aberranti sono state recentemente associate anche allo sviluppo di svariate forme di tumore.Come per le malattie neurodegenerative, anche nel caso dei tumori, mutazioni nelle proteine associate al cancro altererebbero le proprietà dinamiche dei condensati, svolgendo un ruolo chiave nel processo di tumorigenesi. Aberrazioni nel processo di separazione di fase liquido-liquido di proteine associate al cancro contribuirebbero a deregolare le modificazioni epigenetiche, la trascrizione, i meccanismi di mantenimento della stabilità del genoma, nonché le vie di trasduzione del segnale. Anche se le nozioni attuali dei meccanismi molecolari che regolano la formazione e dissoluzione dei condensati sono ancora limitate, l’applicazione dei principi di separazione di fase liquido-liquido alla biologia cellulare ci permette oggi di guardare con un’angolazione diversa fenomeni biologici da tempo conosciuti e comprendere domande irrisolte come la compattazione dell’eterocromatina e l’aggregazione proteica, nonché di comprendere con maggiore accuratezza i meccanismi patologici alla base di neurodegenerazione e cancro, al fine di sfruttare queste nozioni per lo sviluppo di composti chimici che agiscono selettivamente a livello dei condensati, modificandone le proprietà dinamiche nelle cellule e mantenendone la funzionalità.

Serena Carra, Biologa Molecolare e Neurobiologa presso il Dipartimento di Scienze Biomediche, Metaboliche e Neuroscienze dell’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia