Divisione cellulare e altri rimedi: la fissione asintetica

Un team di ricerca di Taiwan ha individuato un nuovo meccanismo di divisione cellulare, efficace, efficiente e veloce, che entra in gioco nei momenti di massimo accrescimento dell’individuo e per questo non richiede la duplicazione del DNA

Non ci si riflette mai abbastanza, ma in ogni momento della nostra esistenza tutte le nostre cellule vanno incontro a un evento che ha dello straordinario: la divisione cellulare.

Da quando nascono a quando si dividono a loro volta, tutte le cellule sono calate all’interno di questo ciclo, diviso anch’esso in diverse fasi, ognuna propedeutica alla successiva.

Parlare di cellula e di divisione cellulare è molto –troppo!- vago. Occorre distinguere tra cellule somatiche, che compongono tessuti e organi, e cellule germinali, i gameti. C’è una bella differenza.

Le prime sono cellule diplodi (2n), mentre le seconde, i gameti, hanno un corredo cromosomico aploide (n), questo vuol dire che portano dentro di sé solo metà dell’informazione genetica dell’individuo. Questa particolarità è strettamente legata al loro ruolo: la diploidia si andrà a ricostituire solo con la fecondazione, quando il gamete femminile e il gamete maschile si incontreranno e dalla loro somma si otterrà una cellula che vedrà ricostituirsi nuovamente un intero corredo cromosomico, ma con un’informazione genetica originale. Questo è possibile solo partendo da un numero dimezzato di cromosomi.

Non è un problema banale, con questo stratagemma dell’aploidia il numero dei cromosomi, che identifica la specie di appartenenza, è mantenuto costante nei nuovi individui, altrimenti a ogni fecondazione avremmo cellule figlie 4n, 8n, 16n e via dicendo.

Per ovviare a questo disastro genetico, la natura ha pensato due modi diversi di dividere le cellule: la mitosi, per le somatiche, e la meiosi per le germinali.

Mitosi e Meiosi

Dalla mitosi otteniamo due cellule identiche sotto tutti i punti di vista: la cellula madre aumenta le proprie dimensioni perché sintetizza in doppio qualsiasi macchinario cellulare contenuto al suo interno, in modo da poterlo ripartire egualmente nelle due figlie.

La meiosi, invece, è più complessa. Infatti, avvengono due cicli di divisione, una di seguito all’altro. Dalla prima meiosi si generano due cellule figlie uguali, complete. Dalla seconda meiosi, invece, si ottengono 4 cellule figlie aploidi negli uomini, gli spermatozoi, mentre nelle donne si ottiene una sola cellula fecondabile, l’ovocita, ed è proprio con la fecondazione che terminerà la meiosi in queste cellule.

Da quando nel 1830 Hugo von Mohl e Barthélemy Dumortier descrissero per la prima volta la divisione cellulare, l’unico dogma conosciuto e riconosciuto era l’esistenza di due soli tipi di divisione cellulare per gli organismi pluricellulari, mitosi e meiosi. Ma se non fosse così?

Il lavoro del gruppo di ricerca di Chen-Hui Chen a Taiwan, ha portato alla luce un nuovo tipo di divisione cellulare delle cellule somatiche: la fissione asintetica.  

Un nuovo modo di dividersi: la fissione asintetica

Il loro lavoro è stato pubblicato su Nature ad Aprile 2022 e descrive l’utilizzo come modello di ricerca delle larve geneticamente modificate di zebrafish, in cui le cellule epiteliali superficiali sono state marcate con un sistema di tagging multicolor, che hanno battezzato con il nome di palmskin, monitorato grazie a tecniche di imaging in time lapse, che ci regalano delle fotogrammi incredibili, simili a mosaici.

Credits: Photos courtesy of Academia Sinica

Oltre all’incredibile bellezza delle foto realizzate, grazie alla tecnica di marcatura palmskin, gli studiosi sono stati in grado di ricostruire il destino delle cellule anche dopo diverse divisioni restando sulle loro tracce come segugi. In particolare, hanno appurato che ogni cellula SEC (Superficial Epithelial Cells) può produrre una progenie di massimo quattro cellule figlie durante il corso della sua vita sulla superficie dell’animale. Attraverso saggi di proliferazione cellulare e di marcatura del DNA, nonché il trattamento con l’idrossiurea, è emerso che queste cellule terminalmente differenziate continuano a dividersi malgrado non si verifichi replicazione di DNA. Ciò si traduce in un 50% della progenie che esibisce un genoma di dimensione ridotta o assente.

Quando in laboratorio si incontrano formati insoliti del genoma, si è portati a pensare a un’associazione con condizioni maligne o a funzioni fisiologiche specifiche.

Un mosaico di possibilità

I ricercatori di Taiwan hanno speculato che questo nuovo metodo di divisione cellulare possa essere un meccanismo di conservazione del materiale, che entra in gioco solo in frangenti in cui è necessaria una rapida crescita, come appunto nello stadio larvale di zebrafish, e che potrebbe avere uno scopo puramente pratico: coprire il prima possibile l’area superficiale del corpo della larva solo in determinati stadi di sviluppo. Infatti, questo meccanismo consente all’epitelio di ricoprire in tempi minori, rispetto alla mitosi, aree apicali della superficie corporea e a quanto sembra non è stato possibile osservarlo negli animali adulti di questi pesci. Per il momento, però, non si esclude che possa essere presente anche in altri esseri viventi.

Inoltre, la crescita della superficie corporea sembra influenzare sia l’estensione, sia la modalità di divisione delle SEC, presumibilmente attraverso l’attivazione dei canali ionici in risposta a uno stimolo da stiramento, portando a ipotizzare che potrebbe verificarsi anche in contesti diversi rispetto la crescita dell’epitelio superficiale di zebrafish.

Si suppone che durante la divisione non sia necessario sintetizzare nuovo materiale cellulare dato che per costruire le nuove cellule sono riciclati solo elementi cellulari preesistenti, comprese la membrana plasmatica e il citoplasma.

Utilizzando un semplice modello matematico, i ricercatori hanno stimato che dopo una singola divisione cellulare si ha un incremento del 26% della copertura corporea superficiale e che dopo due divisioni addirittura del 59%, in modo indipendente dalle dimensioni delle cellule di partenza. La fissione asintetica sembra quindi essere una meccanismo rapido e ad alta efficienza per la copertura epiteliale durante i periodi di grande accrescimento, perché a ogni divisione si vanno a creare velocemente cellule figlie di dimensioni inferiori, molto sottili e che possono essere prive di DNA, e per questo chiamate ipoploidi.

Credits: Nature Video- a new kind of cell division

Con la fissione asintetica cellule prive di potenziale mitotico possono comunque andare incontro a divisione, andando a popolare la parte più apicale dell’epitelio. Tuttavia, molte domande restano aperte al riguardo: questa modalità di divisione cellulare è dovuta all’abilità delle cellule epiteliali di zebrafish di bypassare i checkpoint del ciclo cellulare? Eventuali difetti della fissione asintetica potrebbero compromettere la funzione di barriera della pelle? È un processo evolutivamente conservato?

A queste e a tante altre domande, i ricercatori stanno lavorando per dare una risposta. Lo studio, infatti, fornisce nuove informazioni sul comportamento delle cellule epiteliali in vivo e apre anche le porte alla comprensione del meccanismo che governa la fissione asintetica e a una sua eventuale regolazione, che potrebbe aiutarci, perché no, a muovere numerosi passi in avanti nella ricerca biomedica.

Questo lavoro è solo un piccolo esempio di come la scienza progredisca giorno dopo giorno a piccoli passi, di come ci sia bisogno di indagare anche quei temi che sono dati già per assodati e che si pensa non siano più fonte di nuovi e intriganti interrogativi.

Da circa 190 anni non si parlava che di mitosi e meiosi, dell’impossibilità di creare nuove cellule figlie senza la fase di sintesi e, ancora di più, senza che si tramandasse l’informazione del DNA.
Quanti altri segreti potranno ancora nascondere i meccanismi che guidano la vita delle cellule?

Per saperne di più:

Keat Ying Chan, Ching-Cher Sanders Yan, Hsiao-Yuh Roan, Shao-Chun Hsu, Tzu-Lun Tseng, Chung-Der Hsiao, Chao-Ping Hsu & Chen-Hui Chen: Skin cells undergo asynthetic fission to expand body surfaces in zebrafish

Credits: foto copertina Office for Research Communications_Flickr

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