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Un modello di lievito fornisce nuove informazioni sulla regolazione dei glicani negli eucarioti

Un’iniziativa di ricerca dell’UE ha utilizzato il lievito per aumentare la comprensione di come siano controllati i processi cellulari essenziali negli organismi superiori, fornendo così nuove strade per la scoperta e la ricerca di farmaci.

Tecnologie industriali
Ricerca di base

La vita cellulare si basa su quattro elementi fondamentali: acidi nucleici, lipidi, aminoacidi e zuccheri. Le molecole di zucchero, denominate anche glicani, codificano informazioni biologiche e sono importanti componenti strutturali di proteine, cellule, tessuti e organismi. Tuttavia, rispetto al DNA o alle proteine, i glicani sono più difficili da analizzare e pertanto i ruoli funzionali di questi elementi costitutivi vengono spesso trascurati. Il progetto Yeast-Glyco ha utilizzato il lievito di birra, comunemente noto come lievito per panificazione, come organismo modello per mappare gli sfuggenti glicani con mannosio O-linked (O-Man). «L’obiettivo era quello di sviluppare metodi che consentissero di identificare i siti di O-Man su proteine, dinamiche e meccanismi regolatori in organismi superiori (eucarioti)», afferma Adnan Halim, borsista di ricerca Marie Skłodowska-Curie.

Un approccio nuovo porta al progresso

I glicani O-Man sono modificazioni post-traslazionali evolutivamente conservate, presenti in organismi che vanno dal lievito all’uomo. Tuttavia, nonostante decenni di ricerche, gli scienziati non sono stati in grado di individuare le loro ubicazioni e quanto siano comuni negli eucarioti superiori. In natura, le informazioni biologiche codificate dai glicani vengono decodificate mediante proteine​leganti i​glicani, note anche come lectine. Per decenni, le lectine sono state utilizzate come strumenti per studiare i glicani in vitro. «In Yeast-Glyco, abbiamo sviluppato ulteriormente una tecnica di cromatografia della lectina che ci consente di arricchire il sottoinsieme di proteine che trasportano O-Man da miscele proteiche complesse, che abbiamo identificato e caratterizzato mediante spettrometria di massa quantitativa», spiega Halim. Il flusso di lavoro analitico è stato ulteriormente combinato con l’ingegneria CRISPR/Cas9 di cellule umane, mirando ai geni candidati implicati nella biosintesi di O-Man e determinando nuovi percorsi regolatori che controllano i glicani O-Man. Halim osserva: «Quando combinate, queste tecniche interdisciplinari ci hanno permesso di superare i maggiori ostacoli che hanno impedito i progressi nel campo». I risultati hanno dimostrato che i glicani O-Man sono molto diffusi nei mammiferi e che gli eucarioti superiori hanno sviluppato percorsi biosintetici multipli e distinti per regolare tali componenti strutturali. «Possiamo anche dimostrare che i glicani O-Man svolgono ruoli biologici inattesi e scarsamente compresi e che la loro disregolazione è la causa diretta di disturbi dello sviluppo diversi e precedentemente inspiegabili, ad esempio gravi malformazioni cerebrali negli esseri umani», commenta Halim.

Maggiore comprensione dei disturbi dello sviluppo neurologico

Inoltre, esiste una grande necessità insoddisfatta di comprendere in che modo gli eucarioti diversifichino le funzioni proteiche, il che in parte si ottiene da modifiche dei glicani. Queste modifiche aggiungono uno strato di complessità strutturale, modellando e influenzando le strutture, le interazioni e le funzioni delle proteine che, per estensione, influenzano il benessere di cellule, tessuti e organismi. Lo sviluppo di nuove tecnologie volte a decodificare i regolamenti e le funzioni dei glicani O-Man, obiettivo principale in Yeast-Glyco, ha portato a scoperte affascinanti e fornito nuove informazioni su come le funzioni cellulari vengano regolate e perfezionate dai glicani. Questi risultati possono spianare la strada a nuove strategie volte a sfruttare i glicani O-Man nella diagnostica, nei trattamenti e nello sviluppo di farmaci. Halim è entusiasta di dove potrebbe condurre il progetto. «Non avrei mai immaginato che dopo 3 anni avremmo avuto una spiegazione molecolare per una vasta gamma di disturbi dello sviluppo neurologico con i glicani O-Man al centro dell’attenzione», osserva. «Esistono molte informazioni biologiche codificate nei glicani e ulteriori studi incentrati su questa classe di elementi molecolari porteranno indubbiamente a notevoli scoperte all’intersezione tra biologia cellulare e biomedicina avanzata».

Parole chiave

Yeast-Glyco, glicani O-Man, lievito, proteine, disturbi dello sviluppo neurologico, lievito di birra, spettrometria di massa, CRISPR/Cas9

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