HSP70 activates selective autophagy via UBQLN2 to alleviate hSOD1G93A-mediated neurotoxicity in NSC-34 cellular model of ALS

Il corpo umano è un maestro del riciclo. All'interno delle nostre cellule, un flusso costante di lavoro scompone le proteine vecchie o danneggiate e le elimina, facendo spazio a nuove proteine sane. Questa squadra di pulizia si affida a due strumenti principali: un sistema che agisce come uno sminuzzatore per le singole proteine, e un sistema più grande chiamato autofagia, che funziona come un camion della raccolta rifiuti ingombranti, afferrando ammassi di detriti e trasportandoli a un sito di smaltimento. Quando questo sistema funziona, le cellule rimangono sane. Quando fallisce, i rifiuti tossici si accumulano, portando alla morte cellulare. Questo malfunzionamento è una caratteristica centrale della sclerosi lateral amiotrofica, una malattia devastante che distrugge le cellule nervose che controllano i nostri muscoli. In molti casi di questa malattia, una specifica proteina chiamata SOD1 muta, ripiegandosi nella forma sbagliata e aggregandosi in ammassi tossici che la cellula non riesce a scomporre.

Gli scienziati sanno da tempo che le cellule cercano di combattere contro questo accumulo tossico producendo una maggiore quantità di una proteina aiutante chiamata HSP70. Pensate a HSP70 come a uno chaperone molecolare, un lavoratore che cerca di districare le proteine mal ripiegate o di contrassegnarle per la rimozione. Tuttavia, nello stato patologico, questo sforzo spesso non basta. La cellula sembra avere il lavoratore, ma manca dell'attrezzatura necessaria per portare effettivamente i rifiuti al sito di smaltimento. Un pezzo chiave di questa attrezzatura mancante è una proteina chiamata UBQLN2, che funge da ponte, collegando i rifiuti contrassegnati ai camion della raccolta dell'autofagia. La domanda che i ricercatori si sono posti era se aumentare il numero di lavoratori chaperone potesse risolvere il problema se il ponte stesso fosse rotto o mancante.

Un team di ricercatori della Università di Medicina Cinese di Pechino si è posto l'obiettivo di rispondere a questo quesito costruendo un modello della malattia in una capsula (in vitro). Hanno preso una linea di cellule che si comportano come motoneuroni e hanno introdotto una versione mutata della proteina SOD1, quella che causa la malattia negli esseri umani. Come previsto, queste cellule hanno iniziato a soffrire. La SOD1 mutata ha formato ammassi tossici e la capacità delle cellule di eliminarli si è bloccata. I ricercatori hanno osservato un segno classico di una linea di smaltimento ostruita: le cellule erano piene sia dei camion della raccolta in attesa di partire, sia dei rifiuti in attesa di essere caricati, il che significava che i camion si stavano formando ma non arrivavano mai al sito di smaltimento. In risposta a questa crisi, le cellule hanno naturalmente cercato di aiutare producendo più del chaperone HSP70. Eppure, nonostante questo aumento, i rifiuti tossici rimanevano. Allo stesso tempo, i ricercatori hanno notato che i livelli di UBQLN2, la cruciale proteina ponte, erano diminuiti significativamente. Le cellule avevano i lavoratori, ma il ponte era scomparso.

Per testare se il ponte fosse l'anello mancante, gli scienziati hanno manipolato i livelli di HSP70 in queste cellule malate. Quando hanno costretto le cellule a produrre ancora più HSP70, la situazione è migliorata drasticamente. Gli ammassi tossici di SOD1 hanno iniziato a scomparire e il sistema di raccolta dei rifiuti ha ripreso a muoversi. I camion che erano rimasti bloccati nel traffico si sono finalmente liberati e i rifiuti tossici sono stati degradati. Ciò ha suggerato che avere abbastanza lavoratori chaperone potesse effettivamente riavviare il processo di pulizia. Tuttavia, i ricercatori sospettavano che questo successo dipendesse interamente dalla presenza del ponte. Per dimostrarlo, hanno ripetuto l'esperimento ma questa volta hanno rimosso il ponte UBQLN2 pur aumentando contemporaneamente i lavoratori HSP70. Il risultato è stato immediato e chiaro: la pulizia si è fermata. Anche con un'abbondanza di lavoratori chaperone, i rifiuti tossici si sono accumulati di nuovo e i camion della raccolta sono rimasti bloccati. Il sistema è fallito completamente senza il ponte.

Il team ha poi guardato più da vicino come queste due proteine interagiscono. Utilizzando un metodo che estrae le proteine da una miscela per vedere cosa stanno trattenendo, hanno scoperto che HSP70 e UBQLN2 si legano fisicamente tra loro. Quando i ricercatori hanno aumentato la quantità di HSP70, le due proteine si sono legate l'una all'altra più saldamente, aumentando la loro connessione di circa la metà. Questo legame fisico sembra essere il meccanismo che permette allo chaperone di consegnare il rifiuto tossico al ponte, che poi lo guida verso il sistema di smaltimento. Lo studio ha anche escluso l'idea che produrre semplicemente più camion della raccolta potesse risolvere il problema. Quando hanno utilizzato un farmaco noto per stimolare la formazione di più camion, i rifiuti tossici non sono stati eliminati efficacemente. Ciò ha confermato che il problema non era la mancanza di camion, ma un fallimento nel processo specifico di carico e consegna del rifiuto tossico SOD1.

Le scoperte suggeriscono che la malattia crei un collo di bottiglia specifico in cui il tentativo naturale della cellula di produrre più chaperone viene ostacolato perché la proteina ponte è esaurita. I ricercatori propongono che la chiave per risolvere il problema risieda in un approccio coordinato. Aggiungere semplicemente più chaperone potrebbe aiutare, ma solo se la proteina ponte è presente e funzionale. Lo studio indica che la relazione tra lo chaperone e il ponte è un nodo critico nella capacità della cellula di mantenere l'ordine. Se questa connessione è interrotta, la cellula non può eliminare i rifiuti tossici che portano alla morte dei nervi. Sebbene questo lavoro sia stato condotto in un modello di laboratorio e non su pazienti viventi, fornisce una mappa chiara del macchinario coinvolto. Indica una potenziale strategia in cui i trattamenti potrebbero dover concentrarsi sia sull'aumento delle proteine aiutanti sia sul garantire che le proteine ponte rimangano stabili, offrendo un nuovo modo di pensare a come ripristinare la capacità della cellula di pulire se stessa.