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Nuove scoperte sulla gestione delle proteine nelle cellule di lievito

La ricerca rivela come le cellule di lievito gestiscono le proteine mal ripiegate sotto stress.

Mark C Leake, S. Lecinski, J. A. L. Howard, C. MacDonald

― 5 leggere min


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Le cellule hanno un compito difficile. Devono mantenere tutto in ordine, incluso gestire le proteine. A volte, le proteine non si piegano come dovrebbero, specialmente quando le cellule affrontano stress dall'ambiente. Quando queste Proteine mal ripiegate si accumulano, possono disturbare il funzionamento della cellula. Per gestire questo problema, le cellule hanno sviluppato sistemi per tenere sotto controllo le proteine. Questi sistemi identificano le proteine mal ripiegate e le aiutano a ripiegarsi correttamente o le smontano se sono danneggiate. Oltre a questi sistemi, le cellule hanno altri modi per rimuovere le proteine, come l'autofagia, che aiuta a mantenere l'ambiente interno della cellula sano.

Quando i sistemi di controllo qualità falliscono e le proteine mal ripiegate si accumulano, formano grumi di diverse dimensioni. Questi grumi possono essere dannosi, poiché non solo occupano spazio, ma interferiscono anche con altre proteine che funzionano ancora. Questa accumulazione di proteine mal ripiegate può portare a vari problemi di salute, specialmente malattie neurodegenerative come il Parkinson e l'Alzheimer. Capire come queste proteine diventino dannose può fornire spunti sui problemi che affrontano le cellule e aprire porte a nuovi trattamenti.

Il Ruolo del Lievito a Gemmazione

Il lievito a gemmazione, conosciuto scientificamente come Saccharomyces cerevisiae, è un modello utile per studiare come le proteine vengono gestite all'interno delle cellule. I ricercatori possono facilmente manipolare queste cellule di lievito per studiare molti processi biologici simili a quelli di tutte le cellule eucariotiche. Questi includono funzioni essenziali come la replicazione del DNA e i sistemi di gestione delle proteine che rilevano e puliscono le proteine mal ripiegate.

I ricercatori usano il lievito perché è facile da coltivare e studiare al microscopio. Taggando le proteine nel lievito, gli scienziati possono vedere come si comportano quando sono mal ripiegate. Le Proteine Chaperone giocano un ruolo chiave in questo processo, poiché rispondono rapidamente alle proteine mal ripiegate per aiutarle a ripiegarsi correttamente o segnalare la loro degradazione.

La Sfida di Misurare le Aggregazioni

Negli studi sull'Aggregazione delle proteine, i ricercatori spesso si affidano a marcatori fluorescenti che a volte possono portare a complicazioni. Ad esempio, alcuni marcatori fluorescenti possono formare grappoli, rendendo difficile determinare con precisione quanti aggregati sono presenti. Per migliorare l'accuratezza delle misurazioni, gli scienziati hanno sviluppato nuovi marcatori fluorescenti che non si aggregano. Questi nuovi marcatori sono importanti per studiare con maggiore precisione come le proteine si comportano in condizioni di stress.

Un esempio notevole di un marcatore usato in questa ricerca è una versione modificata dell'enzima carboxipeptidasi Y (CPY). Questa versione alterata è predisposta al mal ripiegamento, rendendola un ottimo modello per studiare l'aggregazione. Taggando questa versione del CPY con una proteina fluorescente, i ricercatori possono osservare come le proteine mal ripiegate si accumulano nelle cellule di lievito.

Modificando il Reporter CPY

Il reporter CPY modificato è stato progettato per essere facilmente espresso nelle cellule di lievito in condizioni controllate. Questa versione modificata è conosciuta come ΔssCPY*. Ha una mutazione specifica che causa mal ripiegamento e aiuta gli scienziati a tracciare l'aggregazione delle proteine nella cellula. Questa proteina viene generalmente espressa usando un promotore regolabile, ma presenta delle sfide perché l'espressione può dipendere da vari fattori ambientali.

Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo approccio utilizzando un promotore attivato dal rame. Questo consente un'espressione più costante della proteina reporter, che può essere poi taggata con una proteina fluorescente progettata per rimanere come un'unità singola. Questo nuovo sistema rende più facile studiare come e quando le proteine si aggregano sotto stress, fornendo informazioni più chiare sui processi coinvolti nel mal ripiegamento delle proteine.

Osservare la Dinamica dell'Aggregazione delle Proteine

Dopo aver creato questo nuovo reporter di aggregazione delle proteine, i ricercatori hanno condotto esperimenti per vedere quanto bene funzionasse. Esporre le cellule di lievito a temperature diverse ha permesso loro di vedere quanto rapidamente e facilmente si formassero gli aggregati. Ad esempio, quando le cellule venivano riscaldate a temperature più elevate, si formavano più aggregati rispetto alle condizioni di controllo a temperatura ambiente. Questo aumento dell'aggregazione indica come le cellule reagiscano sotto stress.

Lo studio ha anche esaminato come gli aggregati di proteine siano distribuiti all'interno delle cellule di lievito. Quando le cellule di lievito si dividono, gli aggregati tendono a rimanere nella cellula madre piuttosto che essere trasmessi alle cellule figlie. Questa osservazione suggerisce che ci possano essere meccanismi che aiutano la cellula madre a trattenere gli aggregati mentre permettono alle cellule figlie di ereditare altri componenti vitali come il nucleo e il vacuolo.

Importanza dei Risultati

I risultati di questa ricerca sono significativi per diversi motivi. Prima di tutto, il nuovo reporter di aggregazione delle proteine consente un monitoraggio migliore di come si comportano le proteine sotto stress. Questo può fornire agli scienziati spunti su come l'aggregazione delle proteine influisca sulla funzione cellulare, il che è cruciale per comprendere le malattie legate al mal ripiegamento delle proteine.

Inoltre, poiché questo metodo è adattabile, può essere applicato ad altre aree di ricerca, come l'invecchiamento e altre malattie in cui l'aggregazione delle proteine gioca un ruolo. Rendendo questi strumenti disponibili alla comunità scientifica, i ricercatori possono indagare varie questioni biologiche con maggiore precisione.

Conclusione

In sintesi, gestire l'aggregazione delle proteine nelle cellule è fondamentale per mantenere la salute cellulare. Lo sviluppo di nuovi strumenti, come il reporter ΔssCPY*, migliora la nostra capacità di tracciare e studiare questi processi. Utilizzando il lievito a gemmazione come sistema modello, i ricercatori possono svelare le dinamiche complesse dell'aggregazione delle proteine, fornendo informazioni preziose che potrebbero portare a nuove strategie terapeutiche per le malattie causate dal mal ripiegamento delle proteine. Il lavoro svolto in questo campo promette di avanzare la nostra comprensione dei processi cellulari e contribuire alla lotta contro varie malattie legate all'età e neurodegenerative.

Fonte originale

Titolo: iPAR: a new reporter for eukaryotic cytoplasmic protein aggregation

Estratto: Cells employ myriad regulatory mechanisms to maintain protein homeostasis, termed proteostasis, to ensure correct cellular function. Dysregulation of proteostasis, which is often induced by physiological stress and ageing, often results in Protein Aggregation in cells. These aggregated structures can perturb normal physiological function, compromising cell integrity and viability, a prime example being early onset of several neurodegenerative diseases. Understanding aggregate dynamics in vivo is therefore of strong interest for biomedicine and pharmacology. However, factors involved in formation, distribution and clearance of intracellular aggregates are not fully understood. Here, we report an improved methodology for production of fluorescent aggregates in model budding yeast which can be detected, tracked and quantified using fluorescence microscopy in live cells. This new openly-available technology, iPAR (inducible Protein Aggregation Reporter), involves monomeric fluorescent protein reporters fused to a {Delta}ssCPY* aggregation biomarker, with expression controlled under the copper-regulated CUP1 promoter. Monomeric tags overcome challenges associated with non-physiological reporter aggregation, whilst CUP1 provides more precise control of protein production. We show that iPAR and the associated bioimaging methodology enables quantitative study of cytoplasmic aggregate kinetics and inheritance features in vivo. We demonstrate that iPAR can be used with traditional epifluorescence and confocal microscopy as well as single-molecule precise Slimfield millisecond microscopy. Our results indicate that cytoplasmic aggregates are mobile and contain a broad range of number of iPAR molecules, from tens to several hundred per aggregate, whose mean value increases with extracellular hyperosmotic stress. Time lapse imaging shows that although larger iPAR aggregates associate with nuclear and vacuolar compartments, and for the first time we show directly that these proteotoxic accumulations are not inherited by daughter cells, unlike nuclei and vacuoles. If suitably adapted, iPAR offers new potential for studying diseases relating to protein oligomerization processes in other model cellular systems.

Autori: Mark C Leake, S. Lecinski, J. A. L. Howard, C. MacDonald

Ultimo aggiornamento: Dec 20, 2024

Lingua: English

URL di origine: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.01.29.577793

Fonte PDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.01.29.577793.full.pdf

Licenza: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Modifiche: Questa sintesi è stata creata con l'assistenza di AI e potrebbe presentare delle imprecisioni. Per informazioni accurate, consultare i documenti originali collegati qui.

Si ringrazia biorxiv per l'utilizzo della sua interoperabilità ad accesso aperto.

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