A novel thermosensitive K2P channel with TREK-like properties in the neuroendocrine system of Procambarus clarkii

La temperatura è una compagna costante per ogni creatura vivente, plasmando il modo in cui i corpi funzionano e come i cervelli pensano. Per gli animali che non possono controllare il proprio calore corporeo, come il gambero, il calore o il freddo del mondo esterno è un comando diretto che deve essere ascoltato. Per sopravvivere, queste creature si affidano a sistemi specializzati nei loro corpi che percepiscono i cambiamenti di temperatura e regolano di conseguenza la propria chimica interna. Uno dei modi più importanti in cui una cellula nervosa reagisce al calore è cambiando il proprio stato elettrico, un processo governato da minuscole porte chiamate canali ionici. Questi canali agiscono come porte microscopiche nella parete cellulare, aprendosi e chiudendosi per lasciare che particelle cariche fluiscano all'interno o all'esterno. Quando queste porte si aprono, possono calmare una cellula nervosa o farle emettere segnali, trasformando efficacemente la temperatura dell'ambiente in un'istruzione biologica. Sebbene gli scienziati sappiano da tempo come funzionano alcuni di questi canali negli esseri umani e in altri mammiferi, il meccanismo molecolare dietro la percezione della temperatura negli invertebrati è rimasto un mistero.

Un team di ricercatori si è messo in viaggio per risolvere questo enigma guardando all'interno degli steli oculari del gambero rosso, una specie comune che si trova in Messico. Questi steli oculari contengono un gruppo specializzato di cellule nervose noto come organo X, che funge da centro di comando per gli ormoni dell'animale, regolando tutto, dal metabolismo alla riproduzione. Gli scienziati sospettavano che quest'area contenesse un tipo specifico di canale ionico che potesse percepire il calore, ma non l'avevano mai visto prima. Combinando l'analisi genetica con misurazioni elettriche dirette, hanno scoperto una nuova proteina canale, che hanno chiamato PcK2P1. Questa proteina appartiene a una famiglia di canali che funzionano come perdite di fondo, permettendo costantemente agli ioni potassio di sfuggire dalla cellula per mantenerla calma. I ricercatori hanno scoperto che questo canale specifico è altamente sensibile alla temperatura, aprendosi maggiormente man mano che l'acqua si riscalda, il che a sua volta cambia il modo in cui le cellule nervose del gambero si comportano.

Il viaggio è iniziato con una ricerca nella biblioteca genetica del gambero. I ricercatori hanno utilizzato strumenti informatici per scansionare il DNA dell'animale alla ricerca di sequenze che somigliassero ai noti canali termosensibili presenti nei mammiferi. Hanno trovato una corrispondenza, un gene che codifica per una proteina con la giusta forma e struttura per essere un canale del potassio. Questa proteina, PcK2P1, è costruita da quattro sezioni principali che attraversano la membrana cellulare, creando un percorso per il viaggio degli ioni. Sebbene il codice genetico di questo canale del gambero sia piuttosto diverso dai suoi cugini umani, condividendo solo circa il 29 percento dei suoi mattoni costruttivi, la sua architettura complessiva è straordinariamente simile. Ha lo stesso design a due pori e le stesse caratteristiche chiave che le permettono di funzionare come canale di perdita. Per dimostrare che questo gene produce effettivamente un canale funzionante, gli scienziati hanno inserito il DNA del gambero in cellule renali umane coltivate in una piastra da laboratorio. Queste cellule non possiedono naturalmente questo canale, quindi qualsiasi attività elettrica mostrata poteva derivare solo dal gene del gambero. L'esperimento è riuscito perfettamente: le cellule umane hanno iniziato a produrre un flusso costante di corrente potassica, confermando che il gene del gambero era sufficiente per costruire un canale funzionale.

Una volta saputo che il canale esisteva e funzionava, il team ha spostato l'attenzione su come esso risponda al calore. Hanno posto le cellule umane che trasportavano il canale del gambero in un bagno e hanno riscaldato lentamente l'acqua da 20 a 30 gradi Celsius. Man mano che la temperatura saliva, la corrente elettrica che scorreva attraverso il canale cresceva significativamente. Il canale non si limitava a far passare un po' più di corrente; diventava molto più attivo, permettendo al potassio di fluire fuori dalla cella a un ritmo che aumentava di oltre due volte e mezzo in quell'intervallo di dieci gradi. Questo comportamento è esattamente ciò che ci si aspetterebbe da un interruttore termosensibile. I ricercatori hanno anche osservato il comportamento del canale su scala microscopica, osservando i singoli canali aprirsi e chiudersi. Hanno scoperto che il canale ha due diverse dimensioni di apertura, una piccola e una grande, e che il riscaldamento dell'ambiente faceva sì che il canale rimanesse aperto più spesso. Fondamentalmente, il tempo in cui il canale rimaneva aperto non cambiava con la temperatura; invece, il canale decideva semplicemente di aprirsi con maggiore frequenza. Ciò suggerisce che il calore agisca direttamente sul meccanismo che aziona l'interruttore, piuttosto che cambiare quanto tempo la porta rimane socchiusa una volta aperta.

Lo studio ha anche rivelato che questo canale non è solo un termometro; è un sensore multitasking che risponde anche ad altre forze fisiche. Quando i ricercatori hanno teso la membrana cellulare, imitando la pressione di un tocco fisico, il canale si è aperto maggiormente. Allo stesso modo, quando hanno aggiunto un acido grasso specifico presente nelle membrane cellulari, l'attività del canale è aumentata bruscamente. Ciò conferma che PcK2P1 è un integratore polimodale, una singola proteina capace di combinare i segnali di temperatura, pressione e cambiamenti chimici per controllare lo stato elettrico della cellula. Il canale ha anche mostrato una distinta resistenza a certi bloccanti che di solito fermano i canali del potassio, provando ulteriormente la sua struttura unica. Per assicurarsi che questo canale fosse effettivamente presente nell'ambiente naturale del gambero, il team ha utilizzato una tecnica chiamata ibridazione in situ fluorescente, che utilizza marcatori luminosi per mostrare dove i geni specifici sono attivi. Hanno trovato segnali brillanti nei neuroni dell'organo X dello stelo oculare del gambero, confermando che queste cellule producono naturalmente il canale.

L'ultimo tassello del puzzle è arrivato dall'osservazione diretta delle cellule nervose del gambero. Quando i ricercatori hanno riscaldato il tessuto dello stelo oculare da 17 a 27 gradi Celsius, le cellule nervose sono diventate più negative nella loro carica elettrica, uno stato noto come iperpolarizzazione. Questo cambiamento le ha rese meno propense a emettere segnali elettrici, calmandole efficacemente. Quando la temperatura scendeva, le cellule diventavano più attive e iniziavano a scaricare spontaneamente. Questo comportamento corrisponde alla funzione del canale scoperto in laboratorio: man mano che l'acqua si riscalda, il canale si apre, il potassio fluisce all'esterno e la cellula nervosa si calma. Questo meccanismo aiuta probabilmente il gambero ad regolare il rilascio di ormoni e lo stato fisiologico in risposta ai cambiamenti stagionali o alle variazioni di temperatura giornaliere. La scoperta di PcK2P1 fornisce una chiara spiegazione molecolare di come un invertebrato percepisca e reagisca al calore, colmando una lacuna nella nostra comprensione di come la temperatura controlli la vita in diverse specie. Dimostra che anche in creature così diverse dagli esseri umani come i gamberi, i principi fondamentali della percezione termica si basano su tipi simili di canali ionici, suggerendo una profonda connessione evolutiva nel modo in cui la vita gestisce il calore del mondo.