Heimdall SNAREs reveal an ancestral architecture of eukaryotic SNARE complexes

La vita come la conosciamo si basa su una divisione fondamentale tra due tipi di cellule. Un tipo, presente nei batteri e negli archei, è semplice e privo di compartimenti interni. L'altro, presente in piante, animali e funghi, è complesso, ricco di stanze distinte come il nucleo e i mitocondri che producono energia. Per decenni, gli scienziati si sono chiesti come questa cellula complessa, con il suo intricato sistema di trasporto interno, sia emersa per la prima volta da un antenato più semplice. Un indizio fondamentale risiede nel macchinario che sposta i materiali tra queste stanze interne. Nelle cellule complesse, minuscole bolle chiamate vescicole trasportano il carico da un luogo all'altro, fondendosi con le membrane bersaglio per consegnare il loro contenuto. Questa fusione è guidata da un set specifico di proteine che agiscono come cerniere molecolari, avvicinando due membrane finché non si fondono. Queste proteine, note come SNARE, sono essenziali per la vita negli organismi complessi, ma la loro origine evolutiva è rimasta un mistero. Questo sofisticato macchinario è apparso improvvisamente con la prima cellula complessa, o si è evoluto da un sistema più semplice che esisteva nei nostri antichi antenati?

Per rispondere a questo, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione a un gruppo di organismi microscopici chiamati archei Asgard. Scoperti relativamente di recente attraverso l'analisi genetica dei sedimenti oceanici, questi organismi unicellulari sono i parenti più stretti conosciuti degli antenati della vita complessa. Alcune specie all'interno di questo gruppo, specificamente quelle chiamate Heimdallarchaeota, sono state trovate possedere geni che appaiono sorprendentemente simili a quelli utilizzati dalle cellule complesse per il trasporto interno. Tra questi geni vi sono le istruzioni per produrre proteine che somigliano alle cerniere SNARE. Tuttavia, possedere il progetto genetico non è la stessa cosa che provare che la macchina funzioni. La domanda critica era se queste antiche proteine potessero effettivamente assemblarsi nei fasci stabili a quattro capi necessari per fondere le membrane, o se fossero solo resti frammentati di un sistema che non ha mai funzionato nel modo in cui lo vediamo oggi.

Un team di scienziati si è posto l'obiettivo di testare questo aspetto isolando e studiando queste proteine SNARE di Heimdall in laboratorio. Si sono concentrati su una proteina specifica, che hanno chiamato HPS1, presente in un organismo Heimdallarchaeota. Per prima cosa, hanno purificato la proteina ed esaminato le sue proprietà fisiche. Hanno scoperto che la proteina era incredibilmente stabile, resistendo allo stress termico e chimico che distruggerebbe la maggior parte delle altre proteine. Quando ne hanno analizzato la forma in soluzione, la proteina non fluttuava come un singolo filamento; invece, si raggruppava spontaneamente con tre copie identiche di se stessa per formare un compatto fascio a quattro filamenti. Questa è stata una scoperta significativa perché, nelle cellule complesse, il fascio funzionale è costituito da quattro tipi diversi di proteine che lavorano insieme. Il fatto che la versione antica potesse formare un fascio stabile utilizzando quattro copie identiche suggeriva una versione più semplice e ancestrale del macchinario.

Per vedere esattamente come fosse costruito questo fascio, i ricercatori hanno fatto crescere cristalli della proteina e hanno usato i raggi X per mappare la sua struttura atomica. L'immagine risultante ha rivelato una lunga corda intrecciata composta da quattro eliche identiche avvolte l'una intorno all'altra. Al centro di questo fascio c'era uno strato specifico dove quattro gruppi chimici identici, composti dall'amminoacido glutammina, si incontravano. Nelle cellule complesse, questo strato centrale è solitamente formato da un mix di diversi gruppi chimici, creando una struttura asimmetrica che è cruciale per il processo di fusione. I ricercatori hanno scoperto che l'antico fascio era perfettamente simmetrico, con tutti e quattro i lati esattamente uguali. Nonostante questa simmetria, il nucleo del fascio era compattato in modo altrettanto stretto e sicuro come le versioni complesse trovate nelle cellule umane. Ciò indicava che l'architettura fondamentale del fascio SNARE esisteva molto prima che le cellule complesse si evolvessero, originandosi da un sistema omogeneo a quattro parti identiche.

I ricercatori hanno poi utilizzato simulazioni al computer per esplorare come questo antico fascio potesse comportarsi rispetto alla versione moderna. Hanno testato se il semplice scambio di uno dei quattro gruppi identici di glutammina con un diverso gruppo chimico, come avviene nelle cellule complesse, creerebbe immediatamente la struttura asimmetrica odierna. Le simulazioni hanno mostrato che questo semplice scambio non funzionava; il fascio non si riorganizzava spontaneamente nella forma asimmetrica complessa. Inveve, il design simmetrico antico rimaneva stabile da solo. Ciò suggerisce che la transizione dal sistema semplice a quattro parti identiche al sistema complesso e specializzato a quattro parti non è stata un cambiamento rapido o accidentale. Richiese probabilmente un processo evolutivo più lungo, in cui le proteine cambiarono e si specializzarono gradualmente nel tempo.

Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che, quando i ricercatori hanno inserito la versione a lunghezza intera di questa antica proteina nelle cellule umane, essa viaggiava con successo verso il sistema di membrane interne della cellula, specificamente il reticolo endoplasmatico. Ciò ha dimostrato che la proteina antica era compatibile con il macchinario cellulare della vita complessa, capace di inserirsi nelle membrane e trovare la propria posizione corretta. Lo studio ha anche esaminato la storia genetica di queste proteine, scoprendo che sono presenti in varie specie di Heimdallarchaeota ma assenti in altri gruppi correlati. Questa distribuzione supporta l'idea che l'antenato della vita complessa possedesse probabilmente questo tipo specifico di proteina SNARE prima di separarsi dai suoi cugini archei.

I risultati dipingono un quadro chiaro di come possa essere nata la complessità cellulare. Il macchinario essenziale per muovere i materiali all'interno di una cellula non è apparso dal nulla quando si è formata la prima cellula complessa. Inveve, si è evoluto da un sistema preesistente in un antico antenato archeale. Questo antenato possedeva un fascio proteico semplice e simmetrico che poteva formare strutture stabili. Nel corso di milioni di anni, questo kit di base è stato duplicato e modificato, dando origine infine al diversificato e specializzato set di proteine che guidano i complessi sistemi di trasporto interno delle moderne piante e animali. Lo studio conferma che le radici profonde della nostra complessità cellulare risiedono nell'antico mondo simmetrico degli archei, dove i primi passi verso l'intricato macchinario della vita furono compiuti molto prima che esistesse la prima cellula complessa.