Cellule: perchè la forma è importante Understand article

Tradotto da Valentina Palmieri. Nuove tecnologie ci mostrano come le cellule controllano la loro forma- e quali cambiamenti di questa possono essere un campanello di allarme per la presenza di una malattia.

Miliardi di anni di evoluzione hanno fatto sì che gli organismi viventi possedessero una strabiliante diversità di forme e geometrie, dall’irregolarità amorfa degli animali più semplici come le spugne, alle scultoree forme simmetriche delle creature più complesse, inclusi noi uomini. Ma non è solo il corpo degli organismi ad avere forme più disparate, ma anche le cellule al suo interno.

La forma di una cellula è generalmente legata alle sua funzione. I neuroni nel nostro cervello, per esempio hanno diramazioni a forma di stella per connettersi con altri neuroni, I globuli rossi hanno la forma del disco biconcavo per massimizzare la loro capacità di trasportare ossigeno e al tempo stesso comprimersi attraverso i vasi sanguigni più sottili. Al contrario, i macrofagi (un tipo di globulo bianco) hanno una forma mutevole, ameboide, che li aiuta a fagocitare corpi estranei. Nel mondo vegetale, le forme variano dalle spinose elaborate strutture dei granuli di polline- evolutesi per afferrare il vento o aderire agli insetti impollinatori- fino alle espandibili cellule di guardia a forma di rene, che aprono e chiudono i pori nelle foglie. Le cellule possono anche assumere forme molto più complicate, come i prismi ruotati o “scutoidi”; questi rappresentano il modo scelto dalla natura per curvare il tessuto epiteliale.

Human blood, showing biconcave red blood cells
Il sangue umano, in cui sono visibili globuli rossi biconcavi, cellule T (arancioni) e piastrine (verdi)
ZEISS Microscopy/Flickr, CC BY-NC-ND 2.0
Pollen grains from a variety of common plants
Grani di polline da una serie di piante comuni, sono visibili le loro diverse geometrie
Dartmouth College Electron Microscope Facility/Wikimedia Commons, CC0

Forme cangianti

Sebbene la forma della cellula sia legata al suo ruolo fuinzionale, molte cellule hanno la capacità di cambiarla. Questa abilità è critica nello sviluppo embrionale, quando i  tessuti subiscono trasformazioni quali piegamenti, formazione di solchi e stiramenti drammatici man mano che gli organi si formano. Negli embrioni del moscerino della frutta, ad esempio, il processo di gastrulazione, durante il quale una sfera di cellule embrionali comincia a differenziare in tessuti distinti- è guidato da un cambiamento di forma cellulare noto come costrizione apicale. Le cellule epiteliali su uno dei lati dell’embrione cambiano da una forma a colonna a una forma a bottiglia, e ciò comporta che l’epitelio di chiuda su se stesso a formare un tubo (Figura 1).

I cambiamenti principali della forma delle cellule avvengono quando gruppi cellular migrano da una parte dell’embrione all’altra. Nell’embrione dello zebrafish, le cellule coinvolte nella formazione della “linea laterale” (un organo sensoriale nei pesci) estendono delle sottili protrusioni mobili chiamate filopodi e lamellipodi. Sono visibili sul bordo principale del gruppo di cellule e sembrano guidare tutte le cellule in una direzione definite (Figura 2)

Gastrulation in fruit fly embryos
Figura 1: Gastrulazione nell’embrione del moscerino della frutta: le cellule epiteliali cambiano forma e questo causa il ripiegamento.
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Embryo: Embrione; Epithelial cells: Cellule epiteliali
 
Migrating cell cluster in zebrafish
Figura 2: Gruppo di cellule migranti, è visibile il cambiamento di forma cellulare sul bordo principale
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Protrusions on leading edge: Protrusioni nel bordo principale; Direction of migration: Direzione di migrazione

Il cambiamento di forma è importante anche durante la divisione celllare, processo di fondamentale durante lo sviluppo. Quando inizia la mitosi (divisione cellular), la cellula da piatta diventa sferica. In esperimenti in cui cellule in divisione sono state confinate in canali microscopici che restringevano le loro dimensioni, è stato osservato come la fase sferica sia essenziale per la distribuzione dei cromosomi nelle cellule figlie. Se questo cambiamento di forma viene bloccato, allora la divisione cellulare fallisce (Lancaster et al., 2013).

Controllo della forma cellulare

Ma esattamente cosa controlla la forma cellulare? Sebbene non abbiamo ancora una comprensione completa del fenomeno, conosciamo alcuni dei processi molecolari e meccanici che determinano la forma cellulare. Queste evidenze arrivano per la maggior parte da organismi di laboratorio familiari, come il moscerino della frutta e lo zebrafish, o da cellule cancerose coltivate in vitro, ma molti di questi processi sono probabilmente universali.

Una parte importante della cellula che ne influenza la forma è il cortex- una rete di proteine strutturali che forma uno strato al di sotto della membrana cellulare. Le proprietà fisiche del cortex determinano quanto la superficie cellulare è rigida o morbida e quindi quanto la cellula è malleabile nel complesso. Il cortex consiste principalmente in due tipi di proteine molto simili alle protein che permettono la contrazione delle fibre muscolari: l’actina, che forma lunghi microfilamenti; e la miosina, che si lega ai microfilamenti di actina e usa l’energia chimica per tirarli, come un motore. Questo sitema genera contrazioni in maniera simile al sistema dell’actiomisiona nei muscoli.

Human skin cells in culture
Cellule di pelle umana in coltura, sono visibili i filamenti di actina in rosso e i nuclei cellulari in blu
Vshivkova/Shutterstock.com
 

Gli scienziati hanno anche identificato centinaia di proteine regolatorie che interagiscono con i microfilamenti di actina nel cortex. Capire come queste proteine possano modificare il cortex e quindi la forma cellulare è un campo attivo di ricerca. Una tecnica molto diffusa per lo studio di queste proteine consiste nel bloccare la produzione di proteine regolatorie, una alla volta utilizzando i siRNA (molecole di small interfering RNA) che silenziano particolari geni. Altri esperimenti hanno dimostrato come lo spegnimento dei ‘motori’ di miosina o il taglio dei filamenti di actina in frammenti possano modificare la forma cellulare.

Una scoperta chiave suggerisce che il cortex di actiomiosina controlli la forma cellulare creando tensione sulla superficie, come la tensione della plastica di un palloncino. Se i motori di miosina sono inibiti o i filamenti di actina vengono rotti, la tensione si perde e la superficie cellulare forma rigonfiamenti, distruggendone la forma.

In molti casi, le forme delle cellule sono dettate da forze esterne. Ad esempio, le cellule epiteliali di un’ala di un moscerino della frutta formano esagoni a causa dell’impacchettamento stretto ad alveare, in cui ogni cellula è circondata da circa sei altre cellule. In maniera simile le cellule che delimitano i nostri vasi sanguigni sono scolpite dal flusso del sangue che fa sì che siano allungate ed impilate parallelamente al flusso.

Forma delle cellule e malattia

Cambiamenti della forma delle cellule hanno un ruolo chiave in diverse malattie, incluse quelle causate da organismi infettivi o da geni difettosi. Per esempio, mutazioni che causano il cancro possano far sì che le cellule perdano le adesioni che le legano alle cellule vicine, diventando amorfe e deformabili- e di conseguenza aiutandole a viaggiare e crescere in altri distretti corporei. Nel morbo di Alzheimer, mutazioni che colpiscono i dendriti, prolungamenti simili a ramoscelli che congiungono le cellule cerebrali, fanno sì che questi si accorcino o diventino meno finemente ramificati. Nell’anemia falciforme, una mutazione fa nascere globuli rossi incurvati, a forma di falce, mentre nella malaria-malattia causata dall’infezione dei globuli rossi da parte del parassita Plasmodium– le cellule diventano più rigide e meno deformabili.

Red blood cells, some showing sickled shape
Globuli rossi, alcuni mostrano la caratteristica forma ricurva che causa l’anemia falciforme
Viv Caruna/Flickr, CC BY-2.0
Red blood cell infected with malaria
Globuli rossi, uno (al centro) con una variazione di forma dovuta alla malaria
Rick Fairhurst/Jordan Zuspann/National Institute of Allergy and Infectious Diseases/National Institutes of Health/Flickr, CC BY-NC 2.0
 

Anche se sappiamo che anormalità nella forma cellulare sono presenti nelle malattie più comuni e in quelle difficili da trattare (come il cancro e il morbo di Alzheimer). non è sempre chiaro se questi difetti siano la causa o siano semplicemente sintomi della malattia. Comunque, lo studio della forma cellulare e le nuove tecniche a supporta, offrono nuove line di ricerca per lo studio riguardante lo sviluppo della malattia.

Per esempio, da una collaborazione tra biologi e fisici è nata una tecnica chiamata citometria a deformabilità in tempo reale, o RTDC (si veda l’approfondimento). Man mano che avanza la nostra comprensione sul ruolo che la forma cellulare ha nello sviluppo della malattia, questa tecnica potrebbe rappresentare un modo efficace per scoprire precocemente la presenza di cellule cancerose. Queste tecniche danno nuove speranze per una diagnosi precoce della malattia, quando il trattamento ha più possibilità di essere efficace.

Tecnologie per lo studio della forma cellulare

Le nuove tecnologie ci consentono di misurare la tensione sulla superficie di single cellule e di conseguenza ci consentono di sapere quanta tensione c’è nel  cortex sottostante. Le tre tecniche più comuni per la misura della tensione sulla superficie cellulare sono il microscopio a forza atomica, l’aspirazione tramite micropipette e l’ablazione laser.

Atomic force microscopy
Figura 3: Microscopio a forza atomica
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Fine probe (tip deflected): Sonda fine
(punta deflessa); Cell membrane:
Membrana cellulare; Cortex: Cortex

 

Il microscopio a forza atomica si basa sull’utilizzo di una punta metallica molto sottile, più sottile di un capello, per sondare  la superficie cellulare (Figura 3). La deflessione di questa sonda consente di misurare quanto la superficie è rigida. Utilizzando questa tecnica, gli scienziati hanno scoperto che un aumento di tensione porta al cambiamento da forma piatta a sferica nelle prime fasi della divisione cellulare. L’aspirazione tramite micropipetta prevede la misurazione della forza necessaria per aspirare una porzione della cellula all’interno di una pipetta microscopica (figura 4). L’ablazione laser prevede che la rete dei microfilamenti di actina nel cortex venga recisa con il laser e che si misuri il successivo riavvolgimento dei due lati del cortex che tornano indietro come le estremità di un elastico di gomma tagliato in due.

Micropipette aspiration
Figura 4: Aspirazione con micropipetta
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Micropipette: Micropipetta;
Cell membrane: Membrana cellulare;
Cortex: Cortex

 

Sebbene questi tre metodi siano tutti efficaci, possono misurare solo una cellula alla volta. Un’altra tecnica, la citometria a deformabilità in tempo reale (RTDC), consente di misurare centinaia di cellule al secondo (Otto et al., 2015). Nella RTDC, una sospensione di cellule viene aspirata tramite una siringa e inviata ad un canale microscopico. Le forze presenti nel liquido che fluisce causano la deformazione di cellule morbide- come le cellule cancerose-, mentre le cellule più rigide sono modificate meno. Una camera montata su un microscopio registra le immagini delle cellule che fluiscono, che vengono valutate da un software.

Le recenti scoperte di ottica hanno anche reso possibile la fotografia tridimensionale di cellule viventi e la visualizzazione di singole proteine al loro interno, attraverso i microscopi a scansione laser. Questi microscopi con super risoluzione hanno mostrato come i filamenti di actina del cortex si organizzano in fusi paralleli all’equatore durante la mitosi, massimizzando la tensione generata e quindi dividendo la cellula originale in due cellule figlie.

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Resources

Author(s)

Priyamvada Chugh è nata a Delhi, in India. Durante il lavoro come ricercatrice in laboratori in India, Germania e Gran Bretagna, ha studiato i cambiamenti di forma cellulare utilizzando sistemi modello che includono cellule staminali, moscerino della frutta e cellule cancerose. Attualmente lavora come editore di un giornale scientifico, si è appassionata alla comunicazione della scienza e del suo fascino ad un pubblico variegata.


Review

Il collegamento tra la forma cellulare e la sua funzione è fondamentale per comprendere la cellula e la biologia dei tessuti. Questo articolo ci fa una panoramica del mondo della biologia cellulare mostrando come è importante la forma cellulare nello sviluppo dell’organismo, nella forma e funzione tissutale, e come marcatore di malattia.

L’articolo potrebbe essere utilizzato come lettura d’insieme della biologia cellulare per gli studenti più adulti. Questa lettura potrebbe essere abbinata all’ osservazione di cellule e tessuti al microscopio ottico. L’introduzione focalizzata su dettagli di biologia molecolare dà l’opportunità di introdurre le funzioni delle molecole siRNA citate nell’articolo a studenti di livello superiore. Infine, gli studenti potrebbero usare l’argomento ‘marcatori di malattia basati su la forma della cellula’ per sviluppare un poster basato sui diversi tipi cellulari e la loro forma, mostrando come la forma cellulare cambia con la malattia e come questo può essere utilizzato in diagnosi


Dr Shelley Goodman, docente universitario di scienza applicata Gran Bretagna




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