Divisione cellulare, scoperto il “cricchetto” che cambia le regole della vita

Le cellule embrionali di grandi dimensioni riescono a completare la citochinesi grazie a un raffinato sistema meccanico distribuito nel citoplasma

La divisione cellulare è uno dei pilastri della biologia, un processo tanto studiato da sembrare ormai scolpito nei manuali. Eppure, nelle prime fasi dello sviluppo embrionale, diversi passaggi restano ancora oggi poco chiari, soprattutto negli animali ovipari. Proprio qui arriva la novità. Un gruppo di ricercatori del Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) della TU Dresden University of Technology ha identificato un meccanismo finora sconosciuto che consente alle cellule embrionali di grandi dimensioni di dividersi senza formare un anello contrattile completo. La scoperta, pubblicata sulle pagine di Nature, ridisegna una parte importante della biologia dello sviluppo e apre nuove prospettive sulla fisica dei processi vitali. Per gli scienziati ciò che per decenni è stato considerato indispensabile potrebbe non esserlo in tutti i contesti biologici. E questo cambia parecchie carte in tavola. La ricerca suggerisce che le cellule possiedono una flessibilità meccanica molto più sofisticata di quanto si pensasse. Non un dettaglio marginale, ma un tassello che tocca il cuore della citochinesi.

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Il modello classico sotto pressione

Il modello consolidato descrive la divisione cellulare come un processo guidato da un anello di actina che si forma nella zona equatoriale della cellula. Questa struttura si stringe progressivamente, un po’ come il cordone di una borsa, fino a separare la cellula madre in due cellule figlie. Il cosiddetto modello a cinghia contrattile funziona bene nella maggior parte degli organismi studiati.

Eppure resta una domanda scomoda: come si dividono le cellule embrionali gigantesche di squali, platipus, uccelli e rettili? In questi organismi, il voluminoso sacco vitellino crea un vincolo geometrico che impedisce all’anello di chiudersi completamente. Il modello classico, in questi casi, mostra crepe evidenti.

Lo zebrafish come banco di prova

Per affrontare il problema, il team guidato da Jan Brugués ha scelto come sistema modello gli embrioni di zebrafish (Danio rerio). Nelle prime fasi di sviluppo, queste cellule sono grandi, ricche di tuorlo e soprattutto trasparenti, qualità che permette osservazioni in tempo reale con grande precisione.

Come ha spiegato la prima autrice dello studio, Alison Kickuth: «Con una quantità così grande di tuorlo nella cellula embrionale, esiste un vincolo geometrico. Come può una banda contrattile, con estremità libere, rimanere stabile e generare forza sufficiente per dividere queste cellule enormi?» La domanda era diretta. E meritava una risposta sperimentale solida.

Il test con laser cambia lo scenario

Per mettere alla prova il sistema, i ricercatori hanno usato un laser di precisione per recidere chirurgicamente la banda di actina durante la contrazione. Qui arriva il colpo di scena. Anche dopo il taglio, la banda continuava a spostarsi verso l’interno della cellula. Un comportamento inatteso, che indicava come la struttura non dipendesse soltanto dall’ancoraggio alle estremità. Doveva esserci un supporto distribuito lungo tutta la sua lunghezza. L’attenzione del team si è quindi concentrata sui microtubuli, altro componente chiave del citoscheletro.

Il ruolo nascosto dei microtubuli

Osservando gli embrioni di zebrafish, i ricercatori hanno visto che i microtubuli si piegavano e si ridistribuivano quando la banda di actina veniva tagliata. Il segnale era chiaro: questi filamenti svolgevano un ruolo attivo nel sostegno meccanico.

Per verificare l’ipotesi, il team ha seguito due strade. Da un lato ha indotto chimicamente la depolimerizzazione dei microtubuli. Dall’altro ha inserito una minuscola goccia d’olio come ostacolo fisico.

Il risultato: in assenza di microtubuli funzionanti, la banda di actina collassava. «Il meccanismo a cricchetto temporale altera in modo sostanziale la nostra comprensione di come funziona la citochinesi», ha sottolineato Jan Brugués.

Citoplasma dinamico durante il ciclo cellulare

Un passaggio centrale dello studio riguarda le proprietà meccaniche del citoplasma, che cambiano nel corso del ciclo cellulare. Dopo la separazione del DNA nella fase M, grandi strutture di microtubuli chiamate aster si espandono nel citoplasma. Nella successiva interfase, questi aster contribuiscono a determinare la posizione futura della banda di actina.

Per misurare concretamente la rigidità del citoplasma, i ricercatori hanno inserito microsfere magnetiche all’interno delle cellule e ne hanno tracciato i movimenti sotto una forza controllata. Una tecnica di micreologia passiva estremamente raffinata, capace di quantificare le variazioni viscoelastiche in tempo reale.

I dati hanno mostrato un comportamento alternato. Durante l’interfase il citoplasma si irrigidisce e stabilizza la banda. Nella fase M, invece, si fluidifica e permette alla banda di avanzare verso l’interno.

Il cricchetto temporale che guida la divisione

Rimaneva però un nodo da sciogliere: se il citoplasma diventa fluido nella fase M, perché la banda di actina non collassa del tutto? Tracciando nel tempo le estremità della banda, il team ha osservato che la struttura diventa effettivamente instabile, ma evita la rottura completa.

La spiegazione sta nella rapidità dei cicli cellulari embrionali. Quando la cellula entra nella successiva interfase e gli aster si riformano, il citoplasma torna rigido e stabilizza nuovamente la banda. Il processo riparte e avanza per piccoli passi.

Come ha chiarito Alison Kickuth: «Lo zebrafish è un caso affascinante, perché la divisione citoplasmatica nelle sue cellule embrionali è intrinsecamente instabile. Per superare questa instabilità, le cellule si dividono rapidamente, consentendo l’ingresso progressivo della banda nel corso di diversi cicli cellulari, alternando stabilità e fluidizzazione fino al completamento della divisione».

Implicazioni per biologia e medicina

Le conseguenze di questo lavoro vanno oltre lo zebrafish. Il meccanismo a cricchetto potrebbe spiegare la divisione embrionale in molte specie ovipare, inclusi grandi vertebrati come uccelli e rettili. Per anni queste cellule ricche di tuorlo hanno rappresentato un rompicapo per i biologi dello sviluppo. Comprendere come le proprietà fisiche del citoplasma vengano regolate con precisione temporale apre nuove piste di ricerca. Non solo per la biologia di base, ma anche per lo studio delle anomalie dello sviluppo. La scoperta, in sostanza, mostra una cellula molto più dinamica e adattabile di quanto raccontato finora nei manuali.

A cura della Redazione GTNews

Link utili:
A mechanical ratchet drives unilateral cytokinesis | Nature