Ricercatori del Salk Institute hanno svelato i meccanismi molecolari dietro la frammentazione mitocondriale e il riassemblaggio, un meccanismo cellulare che mantiene i livelli di energia sana e protegge le cellule dagli insulti. I risultati possono avere implicazioni per disturbi come la malattia mitocondriale, il diabete, il cancro e le malattie neurodegenerative legate a mitocondri disfunzionali.
Quando i mitocondri sono sottoposti a danni sotto forma di stress ambientale, tossine o mutazioni genetiche, la cellula smonta i mitocondri, rimuove i pezzi danneggiati e li riassembla. Questo processo avviene ad un basso tasso anche in condizioni normali, con uno o due dei 100-500 mitocondri della cellula che si frammentano e si riassemblano in ogni momento per sostituire le parti danneggiate. Quando le cellule subiscono uno stress, come l’esposizione a un veleno, si verifica una frammentazione di massa.
Gli scienziati sanno da tempo di questo notevole processo che permette una certa misura di riparazione alle cellule danneggiate. Ma non hanno capito come il danno mitocondriale è stato percepito o i meccanismi che inducono un evento di frammentazione di massa.
Un team guidato dal dottor Reuben Shaw ha osservato che quando le cellule sono esposte a danni mitocondriali, l’enzima AMPK invia un segnale che istruisce i mitocondri a rompersi.
AMPK, che può essere visto come un indicatore di carburante cellulare, è attivato dal farmaco per il diabete metformina. L’esercizio fisico e una dieta ristretta sono anche noti per attivare l’enzima, indicando che queste terapie funzionano, almeno in parte, promuovendo la salute mitocondriale.
Ricerche precedenti hanno dimostrato che AMPK aiuta a riciclare pezzi mitocondriali danneggiati, e segnala alla cellula quando fare nuovi mitocondri.
Utilizzando la tecnica di editing genico CRISPR per eliminare il gene che codifica per AMPK, il team di ricerca ha studiato il suo significato biologico. Quando hanno esposto le cellule a tossine o altri tipi di stress, i mitocondri non si sono frammentati, indicando che AMPK induce direttamente la frammentazione.
I ricercatori hanno poi riacceso la segnalazione AMPK, e con loro sorpresa, hanno scoperto che la segnalazione AMPK era sufficiente a causare la frammentazione dei mitocondri, anche senza danni precedenti.
“Non potevo credere quanto i risultati fossero bianchi e neri. Solo accendendo l’AMPK da solo si ottiene la stessa frammentazione di un veleno mitocondriale”, ha detto il dottor Shaw in un comunicato stampa.
Il team di Salk ha osservato che quando i mitocondri sono interrotti, la quantità di pacchetti di energia (chiamata ATP) che galleggia intorno a una cellula diminuisce. AMPK rileva rapidamente questa riduzione di energia cellulare e attiva un recettore sulla membrana esterna di un mitocondrio che gli dice di frammentarsi.
Il team ha inoltre scoperto che AMPK inizia il processo agendo su due aree di un recettore mitocondriale, chiamato fattore di fissione mitocondriale (MFF). MFF convoca una proteina – Drp1 – che si lega e avvolge il mitocondrio per romperlo.
I ricercatori sono ora interessati ad esplorare altre conseguenze che questo percorso di segnalazione potrebbe avere. “Da un lato, AMPK è noto per essere importante per il diabete di tipo 2, le malattie immunitarie e il cancro. D’altra parte, la disfunzione mitocondriale sta diventando sempre più collegata alle malattie metaboliche e alle malattie neurodegenerative. Stiamo facendo alcuni dei primi passi nel collegare queste due cose che hanno importanti implicazioni di malattia”, ha concluso il co-autore principale dello studio, il dottor Erin Quan Toyama.
Lo studio, intitolato “AMP-activated protein kinase media la fissione mitocondriale in risposta allo stress energetico”, è stato pubblicato sulla rivista Science il 15 gennaio 2016.