Come si rigenerano le ciglia in Xenopus tropicalis

Le ciglia sono piccole strutture simili a peli che si trovano sulla superficie di molte cellule. Hanno due funzioni principali. Prima di tutto, le ciglia primarie fungono da hub di segnalazione, aiutando le cellule a comunicare con l'ambiente circostante. In secondo luogo, le ciglia mobili aiutano a muovere i fluidi e sono fondamentali per lo sviluppo e il funzionamento di vari organi. Quando le ciglia non funzionano correttamente, possono causare malattie come problemi renali, difetti cardiaci e problemi di vista, tra le altre. Queste malattie si chiamano Ciliopatie.

Nonostante si comprendano le funzioni delle ciglia, rimane una grande domanda: come fanno le cellule a mettere insieme una ciglia?

Una ciglia è composta da una struttura chiamata assone ciliari, che è formata da uno scheletro fatto di proteine chiamate microtubuli. La ciglia è attaccata alla cellula tramite una struttura nota come Corpo Basale. L'assone stesso include una parte chiamata stelo ciliari fatto di microtubuli e una punta ciliari. I diversi tipi di ciglia possono avere strutture diverse sulla punta, ma di solito hanno una base simile.

Un'altra area importante nelle ciglia è la Zona di Transizione (TZ), situata tra il corpo basale e l'assone. Questa zona è come un cancello che controlla quali proteine possono entrare ed uscire dalla ciglia. Per capire come le cellule costruiscono questa struttura complessa, è importante guardare da vicino come si monta ogni parte della ciglia.

I ricercatori credono generalmente che le ciglia crescano dal basso verso l'alto, partendo dal corpo basale, poi formando la TZ e infine costruendo l'assone. Quando una cellula è pronta a far crescere una ciglia, esce dalla fase del ciclo cellulare. Il corpo basale matura, preparando il terreno per la crescita ciliari portando in speciali vescicole contenenti le proteine necessarie. Il processo di crescita procede quindi verso l'alto.

Tuttavia, è più complicato per le ciglia mobili perché crescono insieme ad altre attività cellulari, come il movimento del corpo basale e i cambiamenti nella struttura cellulare. Questo ambiente complesso rende difficile capire come avvengono tutti questi processi insieme. Un modo per studiare come si formano le ciglia è rimuovere le ciglia mature e osservare come le cellule ricostruiscono l'intera struttura.

In uno studio, i ricercatori hanno osservato un tipo di rana chiamata Xenopus tropicalis. Hanno scoperto che queste rane potevano rigenerare rapidamente le loro ciglia dopo che erano state rimosse. Volevano vedere esattamente quanto tempo ci sarebbe voluto per le ciglia a ricrescere e come avvenisse il processo.

#Rigenerazione delle Ciglia in Xenopus

I ricercatori hanno scoperto che le ciglia di Xenopus potevano essere rimosse in appena 10-15 secondi. Dopo la rimozione, hanno iniziato a ricrescere entro un'ora e hanno raggiunto la loro dimensione completa dopo circa 6 ore. Questo tempo di rigenerazione è interessante perché è più lungo rispetto ad altri organismi, come Chlamydomonas, che possono rigenerare le loro ciglia in appena 90 minuti. Questo solleva domande su perché Xenopus impieghi più tempo, forse a causa del numero maggiore di ciglia che devono ricrescere.

La struttura dell'epitelio mucociliare in Xenopus è simile a quella dei mammiferi, dove le ciglia danneggiate o le cellule multiciliate (MCC) si pensa vengano sostituite da cellule staminali. Al contrario, i ricercatori miravano a determinare se le ciglia di Xenopus si rigenerassero dalle stesse cellule o se venissero formate nuove cellule per sostituirle.

Per esplorare questo, i ricercatori hanno eseguito imaging in vivo del processo di rigenerazione e hanno visto che dopo la rimozione delle ciglia, le cellule hanno iniziato a ricrescerle dalle stesse cellule. Questa scoperta ha suggerito che, a differenza dei mammiferi, le cellule in Xenopus rigenerano le ciglia in loco e non si affidano a nuove cellule staminali.

#Effetti della Decigliazione sulla Struttura Cellulare

Dopo aver rimosso le ciglia, i ricercatori hanno controllato se le strutture associate alle ciglia fossero state anche colpite. Hanno studiato la rete di F-actina, che fa parte della struttura della cellula, e hanno trovato che la rimozione delle ciglia aveva un impatto significativo su questa rete. Tuttavia, il numero e l'arrangiamento dei corpi basali, che ancorano le ciglia alla cellula, sono rimasti invariati.

Inoltre, i ricercatori hanno esplorato dove esattamente le ciglia erano state tranciate durante il processo di decigliazione. In altri tipi di organismi, le ciglia si staccano lontano dal corpo basale. Hanno ipotizzato che lo stesso sarebbe stato vero per Xenopus. Per testarlo, hanno etichettato una proteina TZ e hanno scoperto che questa veniva persa insieme agli assoni. Questo risultato indica che, a differenza di altri organismi unicellulari, sia le ciglia che la TZ sono state rimosse durante il processo di decigliazione in Xenopus.

#Tempistiche dell'Assemblaggio delle Proteine Durante la Rigenerazione

Quando le ciglia hanno iniziato a ricrescere, i ricercatori erano curiosi di sapere come si formasse la TZ in relazione agli assoni in crescita. Si credeva ampiamente che le proteine nella TZ fossero essenziali per l'assemblaggio dell'assone. Tuttavia, i risultati hanno mostrato che mentre l'assone iniziava a ricrescere rapidamente, la TZ impiegava più tempo a riapparire.

A un'ora dopo la decigliazione, l'assone era presente, mentre la proteina TZ iniziava a comparire solo due ore dopo che le ciglia avevano iniziato a ricrescere. Questo indica che, contrariamente alle aspettative, le ciglia possono formarsi senza la presenza immediata della TZ. I risultati suggeriscono che l'assemblaggio degli assoni potrebbe non richiedere la TZ all'inizio, evidenziando un processo più dinamico di quanto si pensasse in precedenza.

Inoltre, i ricercatori hanno anche esaminato le proteine alle punte delle ciglia conosciute come Sentan e Clamp. Queste proteine sono state trovate presenti sui nuovi assoni all'inizio della fase di rigenerazione, indicando che le proteine vengono portate subito per supportare la crescita delle ciglia.

#Nuove Proteine Necessarie per la Rigenerazione

I ricercatori si sono poi concentrati sul perché ci fosse un ritardo nell'installazione della TZ. Hanno ipotizzato che le cellule avrebbero dovuto produrre nuove proteine TZ dopo aver perso le ciglia. Hanno condotto esperimenti utilizzando un farmaco che inibisce la sintesi proteica e hanno scoperto che il recupero della proteina TZ era completamente bloccato nelle cellule trattate. Questo suggerisce che la nuova sintesi proteica è essenziale per una corretta rigenerazione delle ciglia.

Per vedere se la rimozione delle ciglia avesse innescato la produzione di nuove proteine, hanno studiato l'attività nelle cellule dopo la rimozione delle ciglia. Hanno trovato che mentre alcune proteine potevano entrare rapidamente nelle nuove ciglia, altre avevano bisogno di più tempo e venivano prodotte in risposta alla perdita delle ciglia. Questa distinzione evidenzia il ruolo della nuova produzione proteica durante la rigenerazione.

#Bilanciamento della Lunghezza e del Numero delle Ciglia

Attraverso i loro esperimenti, i ricercatori hanno osservato che quando le nuove proteine non potevano essere sintetizzate, le cellule erano limitate nel numero di nuove ciglia che potevano crescere. Invece, crescevano ciglia meno numerose ma più lunghe. Questo solleva domande su come le cellule decidano quando dare priorità alla lunghezza rispetto alla quantità durante la rigenerazione.

I ricercatori hanno ipotizzato che avere ciglia più lunghe potrebbe aiutare a generare più forza rispetto a molte ciglia più corte. Hanno utilizzato modelli matematici per esplorare questa idea e hanno scoperto che una cellula può produrre più forza con ciglia più lunghe, il che potrebbe avere implicazioni su come queste cellule funzionano nei loro ambienti. Tuttavia, rimane poco chiaro quali vantaggi specifici abbiano le ciglia più lunghe rispetto a molte più corte, specialmente considerando fattori come la resistenza idrodinamica e il coordinamento delle battute delle ciglia.

#Distribuzione delle Proteine tra i Corpi Basali

Man mano che i ricercatori proseguivano il loro lavoro, hanno scoperto che le proteine necessarie per la crescita delle ciglia tendevano a concentrarsi in alcuni corpi basali mentre altri rimanevano non sviluppati. Hanno ipotizzato che, quando le risorse sono limitate, le cellule potrebbero dare priorità a pochi corpi basali per garantire che alcune ciglia crescano fino alla lunghezza massima.

Questo comportamento suggerisce un possibile sistema di redistribuzione delle proteine tra i corpi basali durante la rigenerazione delle ciglia. Forse quando una ciglia cresce, riserva alcune proteine mentre altre vengono lasciate più corte. Questo tipo di meccanismo mostra come le cellule potrebbero adattarsi per ottenere un'efficienza funzionale durante il processo di rigenerazione.

#Conclusione

In generale, questo studio rivela importanti insight su come si rigenerano le ciglia nelle cellule di Xenopus tropicalis. I risultati evidenziano che il processo di rigenerazione è più dinamico e complesso di quanto si pensasse in precedenza. La scoperta che le ciglia possono iniziare a svilupparsi senza la presenza della TZ sfida le convinzioni consolidate sull'assemblaggio delle ciglia.

Inoltre, l'importanza della nuova sintesi proteica nella rigenerazione sottolinea come le cellule rispondano dinamicamente ai cambiamenti nel loro ambiente. Dando priorità alla crescita di ciglia meno numerose ma più lunghe, le cellule potrebbero ottimizzare la loro capacità di generare forza. Questo studio apre molte nuove domande sui processi cellulari e potrebbe avere implicazioni per comprendere le malattie legate alle ciglia e le potenziali terapie.