Ogni anno, migliaia di laureati in biochimica e studenti di medicina in tutto il mondo imparano a memorizzare i principali percorsi biochimici che consentono alle cellule di funzionare. Il modo in cui questi circa 10 percorsi sono descritti nei libri di testo non è cambiato molto dall’inizio del XX secolo, quando furono scoperti per la prima volta.
Ma con la rinascita dell’interesse per il metabolismo del cancro nell’ultimo decennio, i ricercatori si stanno rendendo conto che c’è di più nella biochimica di una cellula di quanto si pensasse una volta.
L’ultimo colpo di scena arriva da un team di scienziati dello Sloan Kettering Institute che riferiscono di aver scoperto una via metabolica precedentemente non apprezzata, una versione alternativa del famoso ciclo di Krebs, noto anche come ciclo dell’acido tricarbossilico (TCA).
Il ciclo TCA o Krebs, dal nome di Hans Krebs, il biochimico di origine tedesca che lo scoprì nel 1937, è un fulcro centrale del metabolismo cellulare. È una parte fondamentale del processo mediante il quale le cellule “bruciano” gli zuccheri per produrre ATP, la molecola che trasporta l’energia della cellula. Nella sua forma standard, il ciclo si verifica interamente nei mitocondri di una cellula.
“Noi e altri scienziati abbiamo riconosciuto da tempo che esiste una variazione nel grado in cui le cellule utilizzano parti del ciclo del TCA, suggerendo che le cellule possono avere diversi modi per soddisfare i loro bisogni metabolici fondamentali”, afferma Lydia Finley, biologa cellulare in SKI che guidava la squadra. “Ora, con quest’ultima ricerca, possiamo dire che esiste un’alternativa completa al ciclo canonico TCA e spieghiamo come funziona”.
Implicazioni per la comprensione del metabolismo delle cellule tumorali
Attraverso diverse linee di evidenza convergenti, il team del Dr. Finley ha mostrato che una versione alternativa del ciclo del TCA ha luogo in parte nei mitocondri e in parte nel citosol.
Piuttosto che bruciare zucchero per produrre energia, questa versione alternativa del ciclo TCA consente alle cellule di utilizzare i carboni nello zucchero per costruire molecole importanti come i lipidi per le membrane cellulari.
Non solo, ma l’uso da parte di una cellula dell’una o dell’altra versione del ciclo TCA è associato a cambiamenti nella sua identità, ha mostrato il team.
Questi risultati, che sono stati riportati il 9 marzo 2022 su Nature, hanno ampie implicazioni per comprendere come le cellule adattano il loro metabolismo per soddisfare le mutevoli esigenze. Possono anche suggerire ulteriori strade per terapie contro il cancro orientate a prendere di mira il metabolismo di un tumore.
Mettere insieme i pezzi del puzzle
I nuovi risultati sono nati da una proficua collaborazione nel laboratorio Finley tra la studentessa laureata Gerstner Sloan Kettering Paige Arnold e lo studente del Tri-Institutional MD-Ph.D. Benjamin Jackson.
Arnold aveva utilizzato tecniche di tracciamento del carbonio per studiare il flusso di carbonio attraverso il ciclo TCA in diversi tipi di cellule. Aveva notato, ad esempio, che sembrava esserci una variazione nella misura in cui le cellule immettono i loro atomi di carbonio nel ciclo del TCA rispetto a saltarne una parte.
Più o meno nello stesso periodo, Jackson stava usando metodi computazionali per analizzare i dati pubblicamente disponibili da esperimenti in cui lo strumento di modifica del genoma CRISPR era stato utilizzato per eliminare sistematicamente i geni di vari enzimi, uno alla volta, per vedere quale effetto questo avesse sulle cellule.
“Si ipotizzerebbe che se il ciclo del TCA fosse un modulo funzionale, allora uno qualsiasi di quegli enzimi dovrebbe avere un effetto relativamente simile quando lo si rimuove”, sottolinea il dottor Finley. “Quello che Ben ha notato è che in realtà non è così.”
“Gli enzimi metabolici sembravano formare due moduli separati”, dice Jackson. “Questo ha confermato l’evidenza aneddotica che stavamo accumulando che c’erano diverse parti del ciclo del TCA che le cellule potevano usare o non usare”.
Gli studi CRISPR analizzati da Jackson sono stati condotti su linee cellulari cancerose, in altre parole, cellule che non sono “normali”. Arnold voleva sapere se anche il normale si impegna in questo ciclo alternativo o non canonico. Il laboratorio di Finley lavora spesso con cellule staminali embrionali, quindi Arnold ha avuto un facile accesso a queste cellule normali. Arnold tracciò il flusso di atomi di carbonio attraverso di loro e scoprì che si impegnavano anche nel ciclo TCA non canonico.
Lezioni di 80 anni fa
Queste due serie di esperimenti sembravano confermare che esisteva davvero un modo alternativo per eseguire il ciclo TCA, che non è nei libri di testo. Ma perché Krebs l’aveva perso?
Per cercare di rispondere a questa domanda, Arnold decise di rivedere i documenti originali di Krebs degli anni ’30 e ’40. Ha scoperto, con sua sorpresa, che Krebs aveva fatto le sue scoperte fondamentali in un particolare tipo di tessuto: il muscolo del seno di piccione.
“Nessuno ne ha mai parlato”, dice Arnold. “Ma ci ha fatto chiedere se forse diversi tipi di cellule hanno preferenze distinte per l’utilizzo del ciclo TCA tradizionale o di questa versione alternativa”.
Ha deciso di ricostruire gli esperimenti originali di Krebs, in vitro piuttosto che con il muscolo di piccione. Ha usato cellule muscolari simili a staminali di topo per far crescere un precursore di fibre muscolari chiamato miotubo e quindi ha tracciato i carboni. Quando ha fatto questo, ha visto qualcosa di interessante: “Quando le cellule erano ancora in uno stadio più simile a uno stelo, sembravano utilizzare molto questo ciclo TCA non canonico, come le cellule staminali embrionali e le cellule tumorali”, dice Arnold. “Ma non appena le cellule si sono differenziate in miotubi, sono immediatamente passate al ciclo TCA più tradizionale. Questo è in linea con ciò che Krebs ha visto nel tessuto muscolare dei piccioni”.
Per il team, questo risultato ha suggerito un chiaro legame tra i cambiamenti nell’identità cellulare e l’uso di particolari percorsi biochimici. Per verificare se i cambiamenti nel destino cellulare richiedessero l’uso di diversi percorsi, il team ha eseguito ulteriori esperimenti in cui hanno bloccato chimicamente o geneticamente determinati enzimi nei cicli e hanno chiesto se le cellule potessero ancora cambiare il loro destino. Non potevano. Questa scoperta implicava che i cambiamenti nel destino cellulare richiedessero percorsi biochimici diversi.
Bruciare o costruire
Perché una cellula dovrebbe optare per una forma diversa del ciclo TCA? Secondo il Dr. Finley, il ciclo di Krebs è davvero efficace per massimizzare la produzione di ATP. Aiuta le cellule a bruciare tutti i loro nutrienti fino all’anidride carbonica.
“È fantastico se ciò a cui tieni davvero è produrre ATP”, afferma il dottor Finley. “Ma se vuoi crescere, l’ATP in realtà non è il reagente limitante. Devi effettivamente trattenere quei carboni per creare nuova biomassa. Questo è ciò che fa il ciclo TCA non canonico: ti consente di prendere i carboni dal glucosio ed esportarli nel citosol, dove possono essere usati per costruire altre molecole. Quindi, invece di bruciare il carbonio, puoi mantenerlo”.
Questo ciclo orientato alla crescita può avere particolare rilevanza per il cancro, la cui caratteristica distintiva è la crescita illimitata.
Il dottor Finley avverte che i loro esperimenti di laboratorio sono stati tutti eseguiti in vitro piuttosto che su animali. Il team è fortemente interessato a capire se e quando si verifica in vivo, sia negli animali normali che nei tumori.
“Questo ci aiuterà a sapere se potrebbe essere un buon bersaglio per i farmaci antitumorali”, afferma il dottor Finley.
Un vantaggio inaspettato per la pandemia di COVID
Il dottor Finley pensa che più i ricercatori iniziano a cercare percorsi biochimici alternativi, più potrebbero trovarne. In qualche modo, la loro scoperta di un ciclo TCA non canonico è stata facilitata da tempi di inattività non pianificati in laboratorio, a causa della pandemia di COVID-19.
Come spiega Jackson: “Ero a casa e non potevamo entrare in laboratorio a causa della pandemia. Quindi è diventato un momento molto fortuito per lavorare su questo progetto, per risolvere tutti i bug del codice”.
Anche per Arnold, i tempi di inattività legati alla pandemia hanno fornito la possibilità di approfondire la letteratura storica e rimuginare sui dati di altri laboratori in cui pensava di poter vedere le prove di questo altro ciclo operativo.
“Alla fine, il lavoro di calcolo che ho fatto e il modello che Paige stava costruendo si sono uniti ed è diventata una collaborazione davvero soddisfacente”, dice Jackson.
C’è una nota di chiusura adatta a questa storia. Quando Krebs ha presentato il suo articolo originale sul ciclo TCA a Nature, è stato respinto. All’epoca, gli editori non avevano spazio. Questa volta, per fortuna, lo fanno.
source: phys.org
