Interaction of light-dark and dietary cues prime Drosophila ovarian stem cell properties by precisely tuning Drp1 recruitment and organization on mitochondria

All'interno dei corpi degli animali, dalle mosche della frutta agli esseri umani, esistono minuscoli serbatoi di cellule chiamate cellule staminali. Queste sono la squadra di riparazione del corpo, che riposano tranquillamente in quartieri specifici chiamati nicchie, in attesa di un segnale per svegliarsi. Quando si svegliano, si dividono per sostituire i tessuti logori o guarire una ferita. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che queste cellule hanno bisogno di energia per lavorare, e che questa energia proviene da piccole centrali elettriche all'interno della cellula chiamate mitocondri. Ma il modo esatto in cui queste centrali elettriche sono modellate e organizzate per aiutare una cellula staminale a decidere se restare addormentata o iniziare a lavorare è rimasto un mistero. I ricercatori sospettavano da tempo che la forma di questi mitocondri fosse importante, ma mancavano di un'immagine chiara di come l'orologio interno del corpo e il cibo che un animale mangia lavorino insieme per controllare questa forma.

Un team di scienziati dell'Università di Ashoka in India e dell'Università dell'Alabama a Birmingham ha appena scoperto un meccanismo preciso che collega il ciclo quotidiano di luce e buio, il cibo che una mosca della frutta mangia e la forma dei suoi mitocondri. Si sono concentrati sulle ovaie della mosca della frutta, Drosophila, che contengono cellule staminali che producono uova. I ricercatori hanno scoperto che affinché queste cellule staminali possano rispondere a un pasto ricco di proteine e iniziare a produrre uova, devono prima essere "preparate" da un ritmo specifico di luce e oscurità. Questa preparazione coinvolge una proteina chiamata Drp1, che agisce come un paio di forbici che taglia i mitocondri in pezzi più piccoli. Lo studio mostra che la tempistica di luce e buio, percepita da una proteina chiamata Criptocromo, dice alle cellule staminali esattamente quante di queste forbici usare e dove posizionarle sui mitocondri. Se questa tempistica è errata, o se la dieta manca di un nutriente specifico, le cellule staminali non possono attivarsi correttamente, anche se è disponibile abbondante cibo.

I ricercatori hanno iniziato osservando come le mosche della frutta rispondono a diverse diete. Sapevano che una dieta ricca di proteine solitamente stimola le ovaie a produrre più uova, mentre una dieta alta in zuccheri può interrompere la produzione di uova, imitando una condizione simile al diabete negli esseri umani. Volevano vedere se potevano risolvere il problema della dieta ad alto contenuto di zucchero modificando le cellule staminali stesse. Hanno utilizzato strumenti genetici per creare mosche con livelli leggermente diversi della proteina Drp1. Hanno scoperto che quando la proteina Drp1 veniva ridotta solo un po' — abbastanza da essere notevole ma non abbastanza da rompere la cellula — le cellule staminali diventavano super-reattive. Queste cellule staminali "preparate" potevano ignorare gli effetti negativi della dieta ad alto contenuto di zucchero e produrre uova altrettanto bene come farebbero con una dieta sana. Tuttavia, se la proteina Drp1 veniva completamente rimossa o ridotta troppo, le cellule staminali non riuscivano a funzionare. Ciò suggeriva che esiste una zona "Goldilocks" (né troppo calda né troppo fredda) per questa proteina: deve essere sintonizzata su un livello molto specifico per mantenere le cellule staminali pronte all'azione.

Per capire cosa stesse accadendo all'interno delle cellule, gli scienziati hanno osservato i mitocondri con microscopi estremamente potenti. Hanno visto che nelle cellule staminali preparate, i mitocondri non erano solo un groviglio casuale di forme. Invece, la proteina Drp1 si raccoglieva sui mitocondri in un modello molto specifico. Nelle cellule che erano pronte a lavorare, la proteina Drp1 formava cluster di una certa dimensione e numero sulla superficie dei mitocondri. Quando i ricercatori osservavano le cellule che non erano preparate, questo schema mancava. La proteina Drp1 era o dispersa ovunque o non presente nelle quantità corrette. Questa disposizione precisa sembrava essere la chiave che permetteva alle cellule staminali di dividersi e produrre uova quando ricevevano il segnale da un pasto ricco di proteine.

Lo studio si è poi rivolto al ruolo di luce e buio. Le mosche della frutta, come gli esseri umani, hanno un orologio interno che traccia il ciclo giorno e notte. I ricercatori hanno scoperto che il livello di proteina Drp1 nelle cellule staminali aumenta e diminuisce naturalmente nel corso di un giorno. È più basso durante la fase di buio e più alto durante la fase di luce. Questo ritmo è controllato da una proteina chiamata Criptocromo, che funge da sensore di luce della mosca. Quando gli scienziati hanno utilizzato mosche prive di Criptocromo funzionale, il ritmo quotidiano è scomparso. I livelli di Drp1 sono rimasti alti tutto il tempo e le cellule staminali hanno perso la capacità di rispondere al cibo. Anche se le mosche venivano alimentate con una dieta ricca di proteine, le loro ovaie non producevano più uova. Questo ha dimostrato che il ciclo quotidiano di luce e buio non è solo un'impostazione di sfondo; è un interruttore attivo che prepara le cellule staminali a ricevere i segoli alimentari.

I ricercatori hanno anche indagato esattamente quale parte della dieta ricca di proteine stesse facendo il lavoro. Hanno testato i singoli amminoacidi, che sono i mattoni delle proteine, per vedere quale potesse innescare le cellule staminali. Hanno scoperto che un amminoacido specifico, la treonina, era il più importante. Quando hanno aggiunto solo la treonina alla dieta delle mosche, questa ha avuto lo stesso effetto di un pasto completo ricco di proteine. Ha potenziato l'attività delle cellule staminali e ha aiutato a superare gli effetti negativi della dieta ad alto contenuto di zucchero. Tuttavia, questo funzionava solo se le mosche avevano un orologio interno funzionante e il livello corretto di Drp1. Se le mosche erano prive di Criptocromo, o se la proteina Drp1 non era sintonizzata correttamente, la treonina non poteva aiutare. Ciò ha rivelato una catena complessa di eventi: il ciclo luce-buio prepara il palcoscenico, l'amminoacido specifico fornisce il carburante e la proteina Drp1 sintonizzata organizza i mitocondri per permettere alle cellule staminali di svolgere il loro compito.

Le scoperte suggeriscono che la capacità del corpo di riprodursi e ripararsi dipende da un delicato equilibrio tra il nostro ambiente, la nostra dieta e il macchinario microscopico all'interno delle nostre cellule. Lo studio mostra che le cellule staminali non sono solo destinatari passivi di segnali, ma partecipanti attivi che devono essere "preparati" dalle condizioni giuste per rispondere. Se il ciclo luce-buio è interrotto, o se la dieta è sbilanciata, questa preparazione fallisce e le cellule staminali non possono funzionare correttamente. Ciò potrebbe avere implicazioni per la comprensione di perché condizioni come il diabete o l'invecchiamento influenzano la fertilità e la riparazione dei tessuti. La ricerca evidenzia come la salute delle nostre cellule staminali sia profondamente connessa al ritmo delle nostre giornate e ai nutrienti specifici che consumiamo, il tutto coordinato dalle forme piccole e dinamiche dei mitocondri al loro interno.