Dipanare la meccanobiologia dell’orologio biologico quotidiano
L’orologio circadiano consente a un corpo di ottenere le risorse di cui ha bisogno al momento ideale, programmando l’attività di organi, tessuti e cellule. Nei mammiferi, i ritmi circadiani sono controllati dai geni e alcune proteine sono prodotte da geni essi stessi circadiani. Poiché queste proteine sono coinvolte in attività cellulari cruciali, quali il ciclo e la differenziazione cellulare, eventuali inconvenienti con l’orologio possono determinare gravi conseguenze. Prove sempre più numerose suggeriscono che l’ambiente meccanico di una cellula influisca sul suo comportamento. Ad esempio, la progressione del ciclo cellulare dipende dallo spazio disponibile, dalla pressione esercitata dalle cellule vicine e dalla rigidità della matrice extracellulare(si apre in una nuova finestra). Questi fattori incidono anche sulla differenziazione di una cellula durante lo sviluppo, determinando persino se una cellula muore o diventa tumorale. Poiché le cellule circadiane all’interno di un tessuto condividono un microambiente comune e sono interconnesse, con il supporto del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra), MECHADIAN ha studiato per la prima volta in che modo la meccanica influisca sul mantenimento dell’orologio circadiano. Osservando i fibroblasti(si apre in una nuova finestra), le cellule più importanti del tessuto connettivo, il team ha appreso che l’ambiente meccanico incide fortemente sulle prestazioni dei loro orologi circadiani. Ad esempio, se questo ambiente viene danneggiato da una ferita, l’orologio circadiano ne risulta gravemente compromesso. «Manipolando l’ambiente delle cellule, abbiamo trovato un nuovo percorso di segnalazione che regola l’orologio circadiano, sollecitando interrogativi importanti, come: “Quali sono le conseguenze del deterioramento dell’orologio circadiano in un tessuto danneggiato?”», afferma Juan Francisco Abenza, borsista Marie Skłodowska-Curie e ricercatore principale dell’Istituto di bioingegneria catalano(si apre in una nuova finestra).
Dire l’ora
Le cellule del nucleo soprachiasmatico(si apre in una nuova finestra) nell’ipotalamo del cervello coordinano il ritmo quotidiano dei componenti biologici che costituiscono i mammiferi. Quest’area riceve informazioni dalla retina sull’ora approssimativa del giorno e invia segnali endocrini e neurocrini(si apre in una nuova finestra) alle cellule del corpo per «impostare la loro ora». Attraverso un circuito di controreazione, l’espressione genetica di queste cellule oscilla in un ciclo di 24 ore regolando centinaia di proteine e influenzando così l’attività genomica di ogni cellula. Per comprendere meglio questo processo, MECHADIAN ha utilizzato un microscopio confocale(si apre in una nuova finestra) per studiare migliaia di singole cellule di fibroblasti NIH3T3(si apre in una nuova finestra) combinandolo con strumenti di microfabbricazione, come quelli per la microstampa di proteine della matrice extracellulare, insieme a test di guarigione delle ferite. Il team ha valutato statisticamente le differenze nell’espressione genica circadiana delle cellule che crescono in condizioni diverse, osservando in particolare la robustezza degli orologi circadiani sulla base dell’espressione di REVERBα, una delle principali proteine circadiane. «È stata una sorpresa constatare che in seguito ad alcune alterazioni meccaniche, come un improvviso cambiamento nella densità cellulare, le cellule non sono diventate circadiane persino dopo i tentativi di forzarle usando shock ormonali. Ciò evidenzia quanto incida il contesto meccanico», spiega Abenza. Un altro risultato è stata la scoperta della precisa connessione molecolare tra l’orologio circadiano e il meccano-rilevamento cellulare, il modo in cui le cellule «sentono» le proprietà meccaniche del loro ambiente. I risultati sono in fase di preparazione per la pubblicazione.
Verso la cronomedicina
MECHADIAN sottolinea l’importanza di considerare sia i tempi che l’ambiente meccanico quando si studia il comportamento cellulare. Queste variabili potrebbero aiutare a rispondere ad alcuni enigmi biologici irrisolti, contribuendo al campo emergente della cronomedicina(si apre in una nuova finestra), che cerca di individuare il momento ottimale per l’ingestione di farmaci, o la chirurgia. «Poiché gli esseri umani attuano programmi privi di luce naturale, i ritmi circadiani vengono sempre più interrotti, mettendo a rischio la salute fisica e mentale», aggiunge Abenza. «Avendo svelato una connessione tra la meccanica cellulare e l’orologio circadiano nei fibroblasti coltivati nelle cellule, vogliamo esplorarla in sistemi più complessi, come le colture 3D, gli organoidi o persino nel corpo».
