Dagli organismi modello ai progressi della medicina Understand article

Tradotto da Monica Menesini. Il fungo usato per la fermentazione della birra è diventato un organsimo usato in tutto il mondo per far avanzare la ricerca sul cancro.

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concessa da iStock

Il cancro colpisce milioni di persone in tutto il mondo ogni anno. Tuttavia, grazie all’avanzamento della ricerca sul cancro e sulla biologia cellulare, i trattamenti e le percentuali di sopravvivenza stanno continuamente migliorando. Sarà un sorpresa, ma il lievitoSchizosaccharomyces pombe è uno strumento importante per i ricercatori. Questo organismo modello ben studiato (vedi riquadro) ha permesso entusiasmanti scoperte che hanno vinto il premio Nobel e per più di 50 anni ha fornito informazioni su come le cellule normali e quelle cancerose crescono e si moltiplicano.

Il cancro è l’equivalente umano di un’erbaccia – cellule anormali indesiderate crescono senza controllo e nel posto sbagliato. Spesso si tratta del risultato di una serie di cambiamenti nel DNA di una cellula, cioè di mutazioni, che si accumulano nel tempo. Queste mutazioni fanno crescere le cellule molto rapidamente e le fanno moltiplicare frequentemente, producendo tumori che invadono tessuti e organi circostanti e possono provocare danni. Per comprendere come queste mutazioni causano il cancro, è prima di tutto importante capire come le cellule lavorano in condizioni normali.

 

Organismi modello

Molti processi di base della vita, in particolare a livello cellulare, sono praticamente identici in tutti i viventi. Ciò significa che gli scienziati possono usare organismi come moscerini della frutta, zebrafish, topi o lieviti per studiare i processi fondamentali di crescita e sviluppo cellulare, per poi applicare le conoscenze acquisite agli esseri umani. Certe specie si sono dimostrate particolarmente utili nella ricerca, e sono note come organismi modello.

Questi organismi modello in genere sono piccoli, robusti, facili da allevare e con un ciclo vitale breve. S. pombe è un organismo modello particolarmente utile perché:

  • è costituito da una sola cellula con appena 5000 geni (in confronto con i 20.000 delle cellule umane);
  • il suo genoma è facile da manipolare – è possibile aggiungere, rimuovere o far mutare i geni. Possono anche essere marcati con sostanze fluorescenti, rendendo visibili le proteine per mezzo di speciali microscopi;
  • il genoma è in genere aploide (c’è solo una copia di ciascun cromosoma), quindi i cambiamenti genetici vengono espressi nel fenotipo senza essere mascherati dall’altro gene;
  • il ciclo cellulare è semplice ed è facile determinare a quale stadio la cellula si trova semplicemente osservandola;
  • molti dei geni di S. pombe hanno omologhi (equivalenti) nelle cellule umane;
  • le cellule sono facili ed economiche da far crescere e possono essere conservate a -80° per molti anni.

 

Purtroppo, le cellule umane non sono ideali per le ricerche sul ciclo cellulare. Il genoma umano contiene circa 20.000 geni, molti dei quali hanno più di una funzione. Inoltre, le cellule e il DNA umano possono essere difficili da manipolare in laboratorio, rendendo complicato lo studio della funzione di un particolare gene. Il lievito S. pombe ha fornito una soluzione. Questo organismo unicellulare è lungo 11 μm, largo 4 μm ed ha solo 5000 geni.

S. pombe è stato descritto per la prima volta nel 1893 dallo scienziato tedesco Paul Lindner, che lo scoprì in una birra al miglio est-africana. Da questo deriva il suo nome, dato che la parola Swahili per birra è pombe. I ricercatori cominciarono a studiare la genetica ed il ciclo cellulare di S. pombe negli anni ’50. E’ ideale per la ricerca per molte ragioni . È facile da far crescere, non è patogeno, le cellule sono abbastanza grandi da poter essere facilmente osservate al microscopio, contiene solo 3 cromosomi e si divide ogni 2-4 ore (vedi riquadro).

Uno dei punti di forza di S. pombe come organismo modello è la facilità con cui il suo genoma può essere manipolato – geni specifici possono essere rimossi o si può aggiungere DNA addizionale.

Gli scienziati possono far crescere queste cellule geneticamente modificate e il fenotipo risultante (le caratteristiche osservabili dell’organismo) rende possibile capire la funzione del gene alterato. Le cellule di S. pombe sono inoltre aploidi, posseggono cioè solo una copia di ogni gene. Questo rende ancora più semplice studiare la funzione del gene. In una cellula diploide (dove sono presenti due copie di ciascun gene), bisogna assicurarsi che entrambe le copie siano mutate per avere un fenotipo che sia significativo. Avere una sola copia di un gene, comeS. pombe, rende più semplice l’intero processo.

Inoltre, S. pombe ha un ciclo cellulare ben caratterizzato e la sua forma a bastoncello è particolarmente adatta per studi sulla crescita e divisione cellulare. La cellula mantiene la sua forma bastoncellare e si allunga alle estremità fino a raggiungere una precisa lunghezza. Il DNA si duplica e una copia del genoma si muove verso le due estremità della cellula, quindi si forma un setto (che si può colorare con un colorante fluorescente) al centro della cellula e questa si divide (fig.1). Questo ciclo si ripete (una cellula cresce e poi si divide in due) finché le condizioni sono quelle adatte per la crescita (ad esempio abbondanza di nutrienti).

Figura 1. Il ciclo cellulare: a) imagine microscopica di S. Pombe colorato con calcofluoro, un colorante fluorescente che si lega alla parete cellulare. Le cellule duplicano il loro DNA e crescono finché raggiungono una lunghezza critica, a quel punto si forma un setto e la cellula si divide. b) le fasi G1, S (duplicazione del DNA), G2 e M (mitosi) del ciclo cellulare di S. pombeLa fase in cui si trova S. pombe può essere stimata misurando la sua lunghezza.
Immagine gentilmente concessa da Louise Weston

Negli anni ’70 Paul Nurse e i suoi colleghi isolarono e caratterizzarono mutanti del ciclo cellulare di S. pombe, e questo lavoro portò poi al Premio Nobel nel 2001. Inizialmente i ricercatori cercarono alterazioni genetiche che causassero la morte delle cellule o cellule anormalmente lunghe che non riuscivano a dividersi (Nurse et al., 1976). La figura 2 mostra cellule anormalmente lunghe che non riescono a dividersi per l’inibizione di un gene chiamato cdc (cell-division cycle).

Figura 2: cellule di S pombe contenenti una mutazione del gene cdc25 sensibile alla temperatura possono crescere normalmente (a), ma si allungano e non si dividono quando sono esposte ad una certa temperatura (b). il gene cdc25 codifica per una proteina che controlla la progressione del ciclo cellulare. Inibendo il gene cdc25 le cellule rimangono ferme nella fase G2 (figura 1) e sono incapaci di entrare nella fase M e dividersi.
Immagine gentilmente concessa da Louise Weston

I vantaggi degli organismi modello diventano chiari quando la ricerca contribuisce alla comprensione di processi che avvengono nell’uomo. Molti dei geni di S. pombe che regolano la riparazione del DNA, i controlli ai checkpoint ed il ciclo cellulare hanno omologhi (equivalenti) nelle cellule umane. Per esempio, dopo aver identificato il gene cdc2 in S. pombe, Nurse e colleghi identificarono il gene corrispondente, cdk1 (cyclin dependent kinase 1) nell’uomo (Lee & Nurse, 1987). Questo gene nell’uomo codifica per una proteina che inizia e regola la divisione cellulare. Mutazioni di questo gene possono attivare una divisione cellulare non prevista e la duplicazione o delezione di sezioni cromosomiche, che possono portare all’insorgenza del cancro. Oggi si studia il possibile uso dell’inibizione selettiva di CDK per il trattamento del cancro. Le opportunità vanno oltre rispetto alla cura del cancro – infatti, omologhi di almeno 50 geni di S. pombe sono implicati in diverse malattie umane come la fibrosi cistica, la sordità ereditaria e il diabete di tipo 2.

Struttura dell’interno del
lievito. C’è ancora molto da
capire sulla struttura interna
di questo fungo

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concessa da Johanna Höög,
EMBL

S. pombe è così essenziale per la ricerca che, nel 2002, è stato il sesto organismo eucariote ad avere il genoma sequenziato e pubblicato. Questo ha consentito lo sviluppo di ulteriori strumenti per studiare S. pombe.Per esempio, è stata creata una libreria di 3308 ceppi di S. pombe, gnuno dei quali manca di uno dei geni non essenziali. Inoltre, tutte le proteine di S. pombe sono state marcate con la green fluorescent protein (che emette una luce verde in risposta ai raggi ultravioletti), consentendo la loro esatta localizzazione nella cellula se osservata attraverso un microscopio a fluorescenza. Questi strumenti renderanno S. pombe un organismo modello ancora più utile per studiare la funzione dei geni (Yanagida, 2002).

Non comprendiamo ancora completamente come avviene il controllo di processi come la crescita e la divisione cellulare, ed in particolare sono poco chiari i controlli globali della crescita cellulare. Questo semplice organismo unicellulare ci può insegnare molto sui processi che sono alla base del nostro corretto sviluppo e sullo sviluppo di malattie come il cancro.

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References

Resources

  • Per ulteriori informazioni su S. pombe e su come può essere usato nella ricerca scientifica, visita PombeNet, una risorsa prodotta da Forsburg Lab in California
  • Il sito web Cancer Research UK offre informazioni accessibili sui principali tipi di cancro e sulla ricerca.
  • Per ulteriori informazioni su come le mutazioni genetiche provocano le malattie, vedi :
  • Per un’attività didattica che discute dal punto di vista etico il sapere che cosa i geni hanno in serbo per te, incluse le possibilità di cancro, vedi :

Author(s)

Louise Weston ha completato il suo Dphil all’Università di Oxford, occupandosi della migrazione delle cellule nel cancro. Attualmente si sta specializzando al Cancer Research UK, usando S. pombe per indagare il controllo della crescita cellulare.


Review

Lieviti e funghi sono ovunque, dentro e fuori di noi. Gli studenti dovrebbero conoscere questi organismi. I libri di testo raccomandano cautela nel far crescere i funghi, ma spesso non forniscono dettagli sulle procedure sperimentali. Partire dall’uso dei funghi nella conservazione e produzione dei cibi può suscitare l’interesse degli studenti (gli insegnanti dovrebbero evitare l’uso di muffe negli esperimenti, anche in piastre di petri chiuse).

Usare un ceppo di lievito sicuro (ad esempio cucinare con il lievito, o fermentare cibi, birra o vino) in un esperimento darebbe l’opportunità all’insegnante non solo di introdurre buone pratiche di laboratorio, ma anche di far capire perché certe procedure vanno seguite alla lettera e i dati raccolti correttamente prima di poter tirare conclusioni. La pratica scientifica dovrebbe precedere la lettura dell’articolo, che è un rapporto scientifico esemplare. Le informazioni presentate possono condurre a pianificare virtualmente esperimenti utilizzando l’organismo modello descritto. Le domande che concludono l’articolo possono generare ulteriori ipotesi per ricerca e discussione in classe.


Friedlinde Krotscheck, Germania




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