Funzione lisosomiale e il suo impatto sulla salute

I lisosomi sono parti importanti delle cellule. Funzionano come centri di riciclo, scomponendo materiali di cui la cellula non ha più bisogno. Questo include molecole grandi che entrano nella cellula attraverso vari sistemi, come mangiando altre cellule o prendendo sostanze dall'esterno. I lisosomi sono anche coinvolti nel processamento dei grassi e nella rilevazione dei nutrienti tramite una proteina chiamata MTOR.

Quando i lisosomi non funzionano correttamente, possono portare a diversi problemi di salute noti come malattie da accumulo lisosomiale (LSD). Queste malattie si verificano quando i materiali si accumulano nei lisosomi perché non possono essere scomposti correttamente. Sono state individuate più di 50 diverse LSD. Anche se ognuna di queste malattie è rara, insieme colpiscono circa 1 bambino su 5000 nati. Alcuni gruppi di persone possono avere tassi più alti di queste malattie.

I problemi lisosomiali sono stati collegati a diverse malattie, tra cui vari tipi di malattia di Niemann-Pick, malattia di Gaucher, malattia di Pompe, malattia di Danon e Lipofuscinosi Neurale Ceroidale. Molti geni relativi a queste malattie producono enzimi che aiutano a scomporre i materiali all'interno dei lisosomi. Alcuni di questi geni funzionano anche come trasportatori che aiutano a controllare cosa entra ed esce dal lisosoma. Quando queste funzioni non vanno a buon fine, possono causare l'accumulo di vari materiali, tra cui grassi e zuccheri. Questo accumulo può anche portare ad altri problemi come l'accumulo di Colesterolo e altri lipidi importanti.

Poiché i lisosomi sono centrali per molte funzioni importanti, i problemi con loro possono influenzare molti sistemi del corpo. Le ricerche mostrano un legame tra alcune LSD e una maggiore probabilità di sviluppare la malattia di Parkinson (PD). Circa il 10% delle persone con PD ha mutazioni nel gene GBA1, collegato alla malattia di Gaucher, e queste mutazioni possono portare a un insorgere precoce della PD. Questa connessione suggerisce che i problemi lisosomiali possano essere un segnale di allerta precoce per altri problemi neurologici.

#Ricerca sulle malattie lisosomiali

Per capire come le malattie lisosomiali influenzano le cellule, i ricercatori hanno creato linee cellulari HeLa modificate che mancano di oltre 25 geni diversi delle LSD. Hanno utilizzato un nuovo metodo chiamato nanoflow liquid chromatography Multi-Omic Single-shot Technology (nMOST) per esaminare sia i lipidi che le proteine in queste cellule contemporaneamente. Questo metodo è più sensibile rispetto alle tecniche precedenti e consente ai ricercatori di raccogliere molte informazioni da un singolo test.

Utilizzando questo approccio, i ricercatori hanno trovato molte differenze nelle proteine e nei lipidi delle cellule con diverse mutazioni delle LSD. Hanno notato cambiamenti specifici legati agli enzimi e ai lipidi, specialmente nelle cellule dei tipi C1 e C2 della malattia di Niemann-Pick. La proteina lisosomiale NPC1 aiuta a trasportare il colesterolo, mentre un'altra proteina, LIPA, scompone gli esteri del colesterolo per rilasciare colesterolo. Problemi con queste proteine sono stati legati a problemi con un processo di pulizia cellulare chiamato autofagia.

Le cellule prive di NPC2 mostrano segni di accumulo di materiali che avrebbero dovuto essere eliminati. Questo include proteine come la Ferritina, che immagazzina il ferro. Quando il ferro è immagazzinato, può creare problemi per altre funzioni cellulari, come la produzione di energia nei Mitocondri. L'analisi delle cellule senza NPC2 ha mostrato livelli più bassi di proteine necessarie per la produzione di energia, che sono critiche per le funzioni delle cellule.

#Approfondimenti dalle tecniche di imaging avanzate

Per vedere cosa stava succedendo in queste cellule a un livello più dettagliato, i ricercatori hanno utilizzato un tipo di imaging avanzato chiamato Microscopia a Illuminazione Strutturata 3D (3D-SIM). Questa tecnica ha rivelato che le cellule prive di NPC2 avevano un carico autofagico eccessivo-materiali che avrebbero dovuto essere scomposti-proprio accanto ai lisosomi. Questi lisosomi apparivano ingranditi e pieni di colesterolo.

Quando hanno utilizzato una tecnica chiamata crio-tomografia elettronica (cryo-ET), i ricercatori hanno potuto esaminare la struttura di questi lisosomi in dettaglio. Hanno scoperto che le cellule deficienti di NPC2 avevano molti strati di membrane all'interno del lisosoma, qualcosa che hanno chiamato strutture multi-lamellari. Questi cambiamenti potrebbero spiegare perché i materiali non venivano consegnati correttamente ai lisosomi per essere scomposti.

Ulteriori studi hanno mostrato che i lisosomi anormali contenenti queste membrane a più strati hanno anche influenzato la funzione dei mitocondri, le fabbriche di energia della cellula. Il fallimento nel rilasciare il ferro dai lisosomi nel citoplasma potrebbe portare a una riduzione dell'assemblaggio dei complessi proteici che dipendono dal ferro.

#Utilizzo di nMOST per analizzare le LSD

La tecnica nMOST ha permesso ai ricercatori di analizzare molti tipi cellulari diversi, comprese quelle provenienti dal cervello e dal sangue. Ha mostrato risultati coerenti tra le specie ed è stata in grado di identificare migliaia di proteine e lipidi da questi vari campioni.

I ricercatori hanno quindi mirato a 52 geni delle LSD nelle cellule HeLa utilizzando una tecnica chiamata CRISPR/Cas9, che ha permesso loro di creare diverse versioni geneticamente modificate delle cellule. Dopo un'attenta analisi, sono arrivate a 33 diverse linee cellulari da studiare.

Con il metodo nMOST, hanno scoperto che molte proteine e lipidi erano alterati nelle cellule mutate delle LSD. Si sono concentrati particolarmente sulle connessioni tra le modifiche lipidiche e proteiche, che hanno rivelato cluster di diversi tipi di lipidi e proteine che lavoravano insieme o si influenzavano a vicenda. Ad esempio, hanno visto che alcuni lipidi erano associati a un aumento delle proteine coinvolte nel processo autofagico.

#Il collegamento tra la funzione lisosomiale e la salute mitocondriale

I ricercatori hanno notato un aumento di specifici fattori di autofagia e lipidi nelle cellule mutate. Questo includeva una classe di lipidi noti come fosfocoline. La relazione tra lisosomi e mitocondri è cruciale; se uno non funziona correttamente, può influenzare l'altro. Le mutazioni in NPC1 e NPC2 hanno interrotto la consegna dei recettori di autofagia ai lisosomi, portando a un accumulo di quei recettori vicino ai lisosomi invece che all'interno.

Nelle cellule deficienti di NPC2, i ricercatori hanno scoperto che i lisosomi non stavano degradando efficacemente i materiali. Invece, stavano diventando più grandi e raccogliendo sostanze come FTH1. Era come un ingorgo, dove i materiali erano bloccati vicino al lisosoma invece di passare attraverso di esso.

I ricercatori hanno proposto che la struttura della membrana dei lisosomi nelle cellule deficienti di NPC2 riduca la capacità dei lisosomi di fondersi con autofagosomi o altre strutture cellulari. Questo significava che il carico consegnato ai lisosomi non veniva elaborato efficacemente.

#Il ruolo del ferro nella funzione mitocondriale

Con la consapevolezza che la disponibilità di ferro è importante per molti processi cellulari, specialmente per la produzione di energia, i ricercatori hanno esaminato come la mancanza di funzione lisosomiale influenzasse il metabolismo del ferro. In queste cellule deficienti di NPC, l'accumulo di ferritina indicava che il ferro non poteva essere spostato in modo efficiente dove era necessario, il che stava influenzando i mitocondri.

Quando i ricercatori hanno fornito una fonte esterna di ferro, hanno scoperto che poteva ripristinare alcune funzioni mitocondriali. Questo è stato significativo perché ha dimostrato che fornendo ferro direttamente alle cellule attraverso un metodo diverso, potevano alleviare alcune delle disfunzioni viste nelle cellule deficienti di NPC2.

Negli esperimenti, il trattamento con citrato di ammonio ferrico (FAC) ha portato a miglioramenti nella struttura mitocondriale, incluso il ripristino delle creste, che sono le pieghe della membrana mitocondriale interna essenziali per la produzione di energia.

#Cambiamenti molecolari nelle cellule NPC2-/-

Quando hanno esaminato più da vicino le proteine mitocondriali coinvolte nella produzione di energia, hanno trovato che l'abbondanza di certi complessi proteici era ridotta nelle cellule deficienti di NPC2. Aggiungere ferro nelle cellule ha portato a un aumento di queste proteine, in particolare per i complessi che fanno parte della catena di trasporto degli elettroni.

I ricercatori hanno utilizzato tecniche avanzate per mostrare che aggiungere ferro attraverso il trattamento con FAC ha aiutato a ripristinare i livelli di queste importanti proteine. Questa scoperta suggerisce che mantenere livelli corretti di ferro è fondamentale per la salute dei mitocondri e che la funzione lisosomiale svolge un ruolo chiave nella regolazione della disponibilità di ferro.

#Risultati chiave e future direzioni

Lo studio delinea una relazione complessa tra la funzione lisosomiale, il metabolismo lipidico, l'autofagia e la salute mitocondriale. I risultati indicano che la disfunzione lisosomiale può portare a cambiamenti significativi nel modo in cui le cellule gestiscono lipidi e proteine, il che a sua volta interrompe la produzione di energia.

Questa ricerca enfatizza l'importanza dei lisosomi nella gestione non solo dei rifiuti ma anche di come ferro e altri materiali vengono elaborati nella cellula. Se la funzione lisosomiale è compromessa, può avere effetti di vasta portata su altri sistemi del corpo, specialmente nei neuroni dove la produzione di energia è vitale.

Future ricerche saranno cruciali per esplorare ulteriormente queste connessioni. Comprendere come le malattie lisosomiali influenzino diversi sistemi d'organo e l'interazione tra lisosomi e mitocondri potrebbe portare a nuovi approcci per trattare le LSD e malattie correlate.

Inoltre, espandere i tipi di linee cellulari utilizzate in questa ricerca aiuterà a fornire un quadro più completo di come queste malattie operano in ambienti diversi. C'è ancora molto da imparare sui legami tra la funzione lisosomiale e varie condizioni di salute, specialmente nelle malattie neurodegenerative.

Continuando a raccogliere approfondimenti da questi studi, i ricercatori potrebbero scoprire nuove opzioni terapeutiche che mirano ai problemi sottostanti causati dalla disfunzione lisosomiale. Comprendere la biologia di questi processi potrebbe infine portare a una migliore gestione e terapie per le malattie da accumulo lisosomiale e altre condizioni correlate.