Come minuscoli marcatori sulla proteina atassina-3 ne influenzano la tossicità nella SCA3

La causa genetica dell’atassia spinocerebellare di tipo 3 (SCA3) è stata scoperta oltre trent’anni fa. Da allora, gli scienziati hanno fatto grandi progressi nella comprensione della SCA3, ma rimangono ancora molti interrogativi su come la proteina atassina-3 mutante (responsabile della SCA3) provochi la morte delle cellule cerebrali. Recentemente, gli scienziati hanno scoperto nuovi modi in cui le modificazioni chimiche aggiunte all’atassina-3 mutante possono influenzarne la tossicità. Queste scoperte rappresentano un nuovo passo avanti nella nostra comprensione della malattia SCA3.

Le proteine ​​svolgono un ruolo fondamentale come pilastri molecolari, garantendo la sopravvivenza e il corretto funzionamento delle nostre cellule. Tra le loro numerose e importanti funzioni, le proteine ​​riciclano i rifiuti, trasportano molecole come l’ossigeno in tutto il corpo e rispondono agli attacchi di virus e batteri. Le proteine ​​sono composte da amminoacidi (elementi costitutivi) che si uniscono come perle infilate su un filo. Esistono venti diversi amminoacidi, che possono combinarsi in innumerevoli modi per creare le centinaia di migliaia di proteine ​​presenti nel nostro corpo. Una di queste proteine ​​si chiama lisina, anche indicata con la lettera “K”. Il numero che segue la “K”, come “K8” o “K85”, indica la posizione della lisina all’interno della proteina. Immaginate di dire “numero civico 8 in via Proteina!”.

Una volta sintetizzata una proteina, ad essa possono essere aggiunti speciali marcatori chimici, come delle etichette, chiamati “modificazioni post-traduzionali”. Questi marcatori aiutano le proteine ​​a sapere cosa fare, dove andare o come funzionare correttamente una volta prodotte. Questi marcatori chimici vengono solitamente aggiunti alla proteina in corrispondenza dell’amminoacido lisina. Gli scienziati hanno precedentemente scoperto che questi marcatori vengono aggiunti ad amminoacidi diversi nell’atassina-3 mutante rispetto all’atassina-3 normale. Ciò rende l’atassina-3 mutante più tossica per le cellule cerebrali. Tuttavia, la proteina atassina-3 è composta da molte molecole di lisina. La questione di come l’aggiunta di marcatori chimici a ciascuna molecola di lisina nell’atassina-3 influenzi il suo comportamento nelle cellule e contribuisca alla malattia non è ancora chiara. In questo articolo, gli scienziati hanno cercato di rispondere a questa domanda.

Per scoprire in che modo determinate molecole di lisina influenzano il comportamento della proteina atassina-3 e il suo ruolo nella malattia SCA3, gli scienziati hanno progettato speciali modelli di DNA. Questi modelli sono come ricette che indicano alle cellule come produrre diverse versioni della proteina atassina-3.

Hanno creato i progetti per:

• Atassina-3 normale e atassina-3 mutante (il tipo che causa la SCA3)
• Versioni di entrambe le proteine ​​con tutte le lisine rimosse, in modo che non sia possibile attaccare marcatori chimici.
• Proteina atassina-3 mutante con una lisina aggiunta alla volta.

Utilizzando questi modelli, gli scienziati hanno creato diverse proteine ​​atassina-3 all’interno delle cellule per osservare come le lisine modificano il comportamento dell’atassina-3. Si sono concentrati su quattro domande principali:

1. Quanta proteina atassina-3 si accumula nelle cellule?
2. Quanti agglomerati tossici forma l’atassina-3 mutante?
3. In quale punto della cellula si localizza l’atassina-3?
4. Quanto tempo dura l’atassina-3 prima di essere riciclata?

Le etichette chimiche che si legano alle lisine spesso aiutano a contrassegnare le proteine ​​per il riciclo, influenzando la quantità di proteina che rimane all’interno delle cellule. I ricercatori hanno scoperto che le cellule contenevano una quantità maggiore della proteina ataxina-3 mutante rispetto a quella normale. Quando hanno rimosso tutte le lisine, entrambe le proteine, normale e mutante, sono state trovate in quantità minori. Ma quando hanno aggiunto nuovamente specifiche lisine (come K8, K85, K117 o K166), la quantità di proteina è tornata alla normalità. Curiosamente, l’aggiunta di K200 ha avuto l’effetto opposto, riducendo ulteriormente la quantità di proteina.

La proteina ataxina-3 mutante è dannosa per le cellule cerebrali perché tende ad aggregarsi e a formare grumi al loro interno. Questi grumi danneggiano le cellule cerebrali, causandone la morte. Gli scienziati volevano capire in che modo alcune molecole di lisina presenti nell’ataxina-3 influenzassero questo processo di aggregazione. Hanno scoperto che l’ataxina-3 mutante formava più grumi rispetto alla proteina normale. Quando hanno rimosso tutte le lisine, la proteina ha formato meno grumi. Tuttavia, quando hanno reintrodotto specifiche lisine, come K8, K85, K117 o K166, l’aggregazione è ricomparsa. Ciò significa che le molecole di lisina presenti nell’ataxina-3 mutante influenzano la quantità di proteina presente nelle cellule e il numero di grumi tossici che forma.

All’interno delle nostre cellule, esistono due sistemi principali che fungono da centri di riciclaggio per le proteine ​​vecchie o danneggiate. Si tratta dell’autofagia e del sistema ubiquitina-proteasoma. Gli scienziati volevano capire in che modo le molecole di lisina presenti nell’atassina-3 influenzassero il suo riciclo da parte di questi due sistemi. Per verificarlo, hanno trattato le cellule con sostanze chimiche in grado di bloccare l’autofagia o il sistema proteasomico, e hanno poi misurato la quantità di atassina-3 accumulata all’interno delle cellule. I risultati sono stati sorprendenti. Tutte le forme della proteina atassina-3 mutante, indipendentemente dal numero di lisine presenti, venivano riciclate da entrambi i sistemi.

In seguito, hanno esaminato per quanto tempo la proteina rimane nelle cellule prima di essere riciclata. Hanno scoperto che l’atassina-3 era più stabile (durava più a lungo) quando conteneva determinate molecole di lisina, in particolare K8 o K85, rispetto a quando tutte le lisine erano state rimosse. Ciò significa che le lisine K8 e K85 contribuiscono a controllare la quantità di proteina atassina-3 presente nelle cellule e il momento in cui viene riciclata.

Gli scienziati hanno anche esaminato la salute cellulare. Le cellule con atassina-3 mutante priva di molecole di lisina morivano più frequentemente, mentre le cellule a cui erano state reintrodotte le lisine K8 o K85 sopravvivevano meglio. In breve, le lisine, in particolare K8 e K85, sembrano proteggere le cellule contribuendo a regolare il riciclo dell’atassina-3 mutante e prevenendo l’accumulo di tossine.

Gli scienziati hanno poi studiato come le molecole di lisina nell’atassina-3 influenzino la localizzazione della proteina all’interno della cellula. L’atassina-3 si trova normalmente nel citoplasma, la sostanza gelatinosa che costituisce la maggior parte della cellula, ma nella SCA3, l’atassina-3 mutata migra nel nucleo (centro di controllo) delle cellule cerebrali e forma aggregati tossici. Gli scienziati hanno scoperto che, rimuovendo le molecole di lisina dall’atassina-3 normale o mutata, quest’ultima si spostava nel nucleo. Tuttavia, reintroducendo la lisina K85, l’atassina-3 mutata tornava nel citoplasma. Quindi, oltre a modificare la quantità di atassina-3 che si accumula o la probabilità che formi aggregati dannosi, le lisine agiscono anche come minuscoli marcatori GPS, aiutando la proteina a trovare la sua posizione corretta all’interno della cellula.

In sintesi, gli scienziati hanno scoperto che alcune molecole di lisina nella proteina atassina-3 mutante (che causa la SCA3) svolgono un ruolo chiave nel comportamento di questa proteina. Hanno scoperto che due lisine, K8 e K85, contribuiscono a controllare la quantità di atassina-3 mutante che si accumula all’interno delle cellule e il numero di aggregati tossici che forma nelle cellule cerebrali. Queste lisine aiutano anche le cellule a sopravvivere più a lungo, e la K85 aiuta a mantenere la proteina nel citoplasma, la parte della cellula in cui normalmente svolge le sue funzioni. Nel complesso, questa ricerca aiuta gli scienziati a comprendere meglio perché l’atassina-3 mutante diventa dannosa e come le sue alterazioni possono portare alla morte delle cellule cerebrali nella SCA3.