AKT-like kinase regulates early steps in the Trypanosoma brucei quorum sensing signalling pathway

Nel mondo microscopico dei parassiti unicellulari, la sopravvivenza dipende spesso dal sapere quando smettere di crescere. Per molti organismi, tra cui i batteri, esiste un modo per percepire quanto sia diventato affollato il proprio ambiente. Essi rilasciano segnali chimici che si accumulano con la crescita della popolazione; una volta che il segnale raggiunge una certa intensità, l'intero gruppo cambia comportamento contemporaneamente. Questo processo, noto come quorum sensing, permette loro di coordinare compiti complessi come la formazione di strati protettivi o la preparazione al movimento verso un nuovo ospite. Nel caso di Tryosoma brucei, un parassita che causa una grave malattia in esseri umani e animali in tutta l'Africa subsahariana, questo meccanismo è critico. Il parassita vive nel sangue dei mammiferi, dove si moltiplica rapidamente. Tuttavia, se la popolazione diventa troppo densa, i parassiti devono smettere di dividersi e trasformarsi in una forma diversa, pronta per essere prelevata da una mosca pungente e trasportata verso un nuovo ospite. Se non riescono a compiere questo passaggio, non possono diffondere la malattia, ma se effettuano il passaggio troppo presto, potrebbero estinguersi prima di trovare un nuovo ospite. Comprendere esattamente come questi minuscoli organismi contano i propri numeri e decidono di cambiare è un pezzo fondamentale del puzzle per controllare la malattia che causano.

Per anni, gli scienziati sapevano che questi parassiti utilizzavano piccoli frammenti proteici, chiamati oligopeptidi, per segnalare la propria densità. Questi frammenti vengono creati quando i parassiti scompongono le proteine nel loro ambiente. Man mano che il numero di parassiti aumenta, questi frammenti si accumulano e vengono trasportati all'interno delle cellule, innescando una reazione a catena che dice ai parassiti di smettere di crescere e prepararsi alla trasmissione. Tuttavia, i primissimi passaggi di questa reazione a catena sono rimasti un mistero. Studi precedenti avevano identificato alcune delle molecole coinvolte nelle fasi successive del processo, ma si basavano su stimoli chimici artificiali che bypassavano il punto di partenza naturale. Poiché il parassita è così evolutivamente diverso dagli esseri umani e dagli altri animali complessi, esso manca di molti dei recettori di segnalazione standard presenti in altre forme di vita. Ciò ha reso difficile individuare quali molecole agissero come lo switch iniziale che trasformava il segnale in azione.

Un team di ricercatori si è messo in viaggio per trovare questi attori precoci mancanti utilizzando un nuovo e potente metodo per osservare l'intero genoma del parassita in azione. Invece di guardare un gene alla volta, hanno creato una vasta libreria di parassiti in cui ogni singolo gene poteva essere spento individualmente. Hanno poi esposto questa popolazione mista al segnale naturale che innesca l'arresto della crescita dei parassiti. Tracciando quali parassiti sopravvivevano e quali scomparivano, sono riusciti a identificare esattamente quali geni fossero essenziali per rispondere alla folla. Se spegnere un gene specifico permetteva a un parassita di continuare a crescere anche in presenza del segnale, quel gene era probabilmente parte cruciale della via di segnalazione. Questo approccio ha permesso loro di filtrare il rumore e concentrarsi sulle molecole che agivano proprio all'inizio del processo.

La ricerca ha rivelato due enzimi specifici, noti come chinasi, che agiscono come i principali guardiani di questa decisione. Uno di questi, che i ricercatori hanno chiamato TbAKT-like, è particolarmente affascinante perché appartiene a una famiglia di proteine presenti in quasi tutte le forme di vita complesse, inclusi gli esseri umani. Negli esseri umani, questa famiglia di proteine aiuta le cellule a decidere se crescere, sopravvivere o morire in base ai segnali provenienti dall'ambiente. Ciò che rende la scoperta nel parassita così significativa è che Tryosoma brucei manca dei recettori standard che solitamente attivano questa famiglia di proteine in altri animali. Nonostante ciò, il parassita utilizza una versione di questa stessa proteina per percepire la densità della propria popolazione. I ricercatori hanno confermato che quando rimuovevano questa proteina dal parassita, le cellule non riuscivano a smettere di crescere anche quando il segnale di densità era forte. Hanno anche scoperto che la proteina doveva essere attiva, ovvero doveva svolgere il suo lavoro chimico di aggiunta di gruppi fosfato ad altre molecole, per innescare il cambiamento.

Per capire come funziona questa proteina, il team ha creato una serie di versioni modificate della stessa, cambiando parti specifiche per vedere quali fossero necessarie. Hanno scoperto che la proteina possiede una regione specifica che probabilmente la aiuta ad attaccarsi alla membrana interna della cellula, in modo simile a come un magnete si attacca a un frigorifero, e che questo attaccamento è vitale per la sua funzione. Hanno anche identificato un punto specifico sulla proteina che deve essere modificato chimicamente per poterla attivare. Quando hanno impedito questa modifica, il parassita non è stato in grado di rispondere al segnale della folla. Inoltre, osservando i tag chimici su altre proteine all'interno della cellula, hanno scoperto che questa chinasi punta probabilmente a una molecola chiamata NOT5. Nel parassita, NOT5 agisce come un freno che mantiene le cellule nel loro stato di crescita. I ricercatori suggeriscono che la nuova chinasi funzioni disabilitando questo freno, permettendo finalmente al parassita di smettere di dividersi e trasformarsi.

Il team non si è fermato al banco di laboratorio; ha testato anche queste scoperte in topi viventi. Quando hanno infettato i topi con parassiti privi della chinasi, i parassiti hanno continuato a moltiplicarsi per più tempo rispetto al normale. Sebbene alla fine abbiano smesso di crescere, il processo è stato significativamente ritardato rispetto ai parassiti selvatici. Ciò ha confermato che la chinasi non è solo una curiosità di laboratorio, ma un componente vitale del ciclo vitale del parassita in un ospite reale. Il ritardo significava che i parassiti rimanevano nella forma pericolosa e in rapida divisione per troppo tempo, il che potrebbe renderli più vulnerabili al sistema immunitario dell'ospite o meno efficienti nel diffondersi a nuovi ospiti.

Questo lavoro ridisegna la nostra comprensione di come questi antichi parassiti comunichino. Dimostra che, anche se Tryosoma brucei si è evoluto separatamente dagli esseri umani per centinaia di milioni di anni e manca di molti degli strumenti di segnalazione standard presenti in altri animali, esso si affida ancora a un meccanismo antico e profondamente conservato per gestire la propria popolazione. Il fatto che una famiglia di proteine così centrale per la biologia umana sia anche lo switch principale per un parassita letale apre nuove possibilità di trattamento. Se gli scienziati riuscissero a progettare farmaci in grado di bloccare specificamente questa chinasi nel parassita senza danneggiare la versione umana, potrebbero potenzialmente fermare la diffusione della malattia costringendo i parassiti a rimanere in uno stato in cui sono facilmente eliminati dall'ospite. Lo studio fornisce una mappa chiara dei primi passaggi di questa via di segnalazione, trasformando una "scatola nera" di biologia ignota in una sequenza definita di eventi che può ora essere oggetto di interventi mirati.