Single-cell transcriptomics reveals life cycle and cell cycle gene expression dynamics during in vitro growth of two Leishmania species

I parassiti sono maestri del travestimento e della trasformazione, cambiando costantemente forma e comportamento per sopravvivere negli ambienti ostili dei loro ospiti. Tra i più noti ci sono i parassiti Leishmania, microrganismi unicellulari microscopici che causano una gamma di malattie note come leishmaniosi. Queste malattie sono diffuse dalle flebotomi, piccoli insetti che pungono i mammiferi per nutrirsi di sangue. Quando una flebotoma punge un animale infetto, ingerisce il parassita in una forma; quando punge un nuovo ospite, ne inietta una forma diversa. All'interno della mosca, il parassita deve affrontare una complessa serie di cambiamenti, crescendo, dividendosi e trasformandosi in stadi specifici per diventare pronto per la trasmissione. Gli scienziati studiano da tempo questi cambiamenti coltivando i parassiti in piastre di laboratorio, assumendo che ciò che accade nel contenitore di vetro rispecchi ciò che accade all'interno dell'insetto. Tuttavia, una domanda critica è rimasta senza risposta: queste colture di laboratorio replicano davvero l'intricato ciclo vitale osservato in natura, ed esattamente come i parassiti riescono a passare dalla fase di crescita a quella di riposo?

Per rispondere a queste domande, i ricercatori si sono rivolti a un nuovo e potente modo di osservare le cellule chiamato trascrittomica a singola cellula. Invece di studiare una zuppa di milioni di parassiti mescolati insieme, questa tecnica permette agli scienziati di ascoltare l'attività genetica di miglia di cellule individuali contemporaneamente. Leggendo i geni specifici che vengono attivati o disattivati in ogni cellula, possono determinare esattamente in quale stadio della vita si trova quella cellula, proprio come leggere un diario per sapere se una persona sta lavorando, dormendo o viaggiando. In uno studio recente, gli scienziati hanno applicato questo metodo a due specie comuni di Leishmania, L. major e L. mexicana, che sono frequentemente utilizzate nei laboratori perché facili da coltivare. Volevano vedere se i parassiti nel piatto seguissero lo stesso copione di sviluppo osservato all'interno di una flebotoma, e volevano anche mappare i cambiamenti genetici che avvengono mentre i parassiti dividono le loro cellule.

I ricercatori hanno coltivato colture di entrambe le specie di parassiti, lasciando che alcune si moltiplicassero rapidamente mentre altre si assestassero in una fase più lenta e stazionaria. Hanno poi catturato i profili genetici delle singole cellule da queste popolazioni. I risultati hanno rivelato una differenza sorprendente tra le due specie. I parassiti L. mexicana cresciuti in laboratorio si comportavano quasi esattamente come i loro corrispettivi selvatici nella flebotoma. Seguivano un percorso di sviluppo ramificato, dividendosi in due forme finali distinte: un tipo progettato per essere infettivo per i mammiferi e un altro tipo che si attacca all'intestino della mosca. Ciò ha confermato che L. mexicana è un modello fedele per studiare come questi parassiti si sviluppano e si preparano alla trasmissione.

Al contrario, i parassiti L. major cresciuti nelle stesse condizioni non hanno seguito il copione completo. Sebbene abbiano formato con successo lo stadio infettivo, non sono riusciti a produrre l'altra forma specializzata che si attacca alla mosca, né hanno mostrato segni chiari di uno stadio intermedio che funge da ponte tra la fase di crescita e quella di riposo. Ciò suggerisce che l'ambiente di laboratorio per L. major manchi di un segnale specifico o di una condizione presente nella flebotoma, causando una sorta di scorciatoia nello sviluppo dei parassiti. Questa scoperta è fondamentale perché avverte gli scienziati che i risultati di una specie non possono sempre essere applicati a un'altra, anche quando sono strettamente correlate e cresciute nello stesso modo.

Oltre a mappare il ciclo vitale, lo studio ha anche svelato gli strati del processo di divisione cellulare stesso. Analizzando i geni attivi nei parassiti in divisione, i ricercatori hanno identificato centinaia di geni che agiscono come marcatori per le diverse fasi del ciclo cellulare. Hanno scoperto che, mentre il macchinario centrale per la divisione è molto simile tra le due specie di parassiti e anche strettamente correlato a un diverso parassita chiamato Trypanosoma brucei, vi sono differenze significative nel modo in cui i geni per le fasi finali della divisione vengono regolati. Ciò suggerisce che, sebbene il motore di base della divisione cellulare sia conservato, i controlli specifici che accendono e spengono il motore possono variare significativamente tra le specie.

Forse la scoperta più affascinante è stata come il ciclo vitale e il ciclo cellulare siano intrecciati. I ricercatori hanno scoperto che la decisione di smettere di dividersi e diventare una forma specializzata e non in crescita non è un semplice interruttore che avviene contemporaneamente per tutti. Per alcuni stadi di sviluppo, i parassiti smettono di dividersi in un punto specifico del loro ciclo cellulare, congelando efficacementamente la loro crescita per diventare infettivi. Per altri stadi, la transizione allo stato di riposo avviene in modo casuale, con alcune cellule che si fermano mentre altre continuano a dividersi. Questa complessità rivela che il viaggio del parassita da cellula in crescita a forma pronta per la trasmissione è un processo altamente coordinato ma flessibile, in cui il tempo della divisione e il tempo dello sviluppo sono strettamente legati in alcuni casi, ma indipendenti in altri.

Lo studio fornisce una mappa dettagliata dell'attività genetica di questi parassiti, offrendo un nuovo insieme di strumenti agli scienziati per identificare esattamente in quale stadio si trova un parassita semplicemente guardando i suoi geni. Questa risorsa aiuterà i ricercatori a comprendere meglio come questi organismi sopravvivano, come si preparino a infettare nuovi ospiti e perché alcuni modelli di laboratorio funzionino meglio di altri. Dimostrando che L. mexicana ricrea fedelmente il ciclo vitale naturale mentre L. major no, il lavoro sottolinea l'importanza di scegliere il modello corretto per studiare queste malattie. In definitiva, comprendere gli interruttori genetici precisi che controllano quando un parassita cresce e quando riposa potrebbe aprire nuove porte per interrompere il ciclo vitale e fermare la diffusione della leishmaniosi.