Di madre in figlia: l’eredità del ciclo cellulare

Dopo una mitosi, le cellule figlie possono dividersi ancora oppure no. Che cosa determina la scelta? Un studio dimostra che la cellula madre trasmette alle figlie un’eredità molecolare che ne guida il destino proliferativo

Ogni cellula del nostro corpo deriva da un’altra cellula. Grazie alla mitosi, da una cellula “madre” si ottengono due cellule “figlie”, ciascuna delle quali si viene poi a trovare di fronte a un bivio: continuare a dividersi o arrestarsi in uno stato di quiescenza? A lungo i biologi si sono chiesti se a guidare questa scelta fosse una variabilità del tutto casuale o un cocktail di specifici fattori. E se esistono, di quali fattori si tratta?

Uno studio pubblicato sulla rivista Nature dimostra che il destino delle cellule figlie può essere influenzato dalla “memoria” della cellula madre, che trasmette precise istruzioni nella forma di segnali molecolari. A differenza di quanto si pensava, il ricordo di stimoli e fattori ambientali incontrati dalla cellula madre non viene cancellato al momento della mitosi, ma può essere trasmesso alle generazioni successive.

La mitosi di una cellula di tumore al polmone colta un attimo prima della separazione delle due cellule figlie (Immagine: Wikimedia Commons).



Secondo un modello proposto negli anni Settanta del Novecento, dopo una divisione la cellula figlia sarebbe come una tabula rasa: la decisione se dividersi oppure no dipende solo dagli stimoli che la cellula riceve prima di iniziare la fase G1 del ciclo. Per ogni nuova cellula, la decisione sarebbe quindi “indipendente” e vincolata solo all’ambiente in cui si trova.

Uno studio del 2013 ha però messo in discussione questo modello, dimostrando che alcune cellule, subito dopo la mitosi, hanno un’inclinazione naturale a dividersi ed entrano subito nella fase S del ciclo. Questa predisposizione sembra derivare dalle “esperienze” della cellula madre durante la fase G2, ma fino a oggi è stato difficile dimostrare come questa particolare memoria molecolare funzionasse.

La dimostrazione è arrivata da un gruppo di ricercatori dell’Università di Stanford, in California. Con un meccanismo epigenetico che ricorda l’effetto materno, la “memoria molecolare” della cellula madre è ereditata dalle figlie e contribuisce a indirizzare la scelta tra mitosi e quiescenza (per un riepilogo sui fattori epigenetici e l’effetto materno consulta anche il Come Te Lo Spiego Epigenetica: parole e fenomeni in cerca di definizione).

Il tutto si gioca sul delicato equilibrio tra due proteine coinvolte nel controllo della proliferazione: la ciclina D1, che attiva il ciclo cellulare in risposta a stimoli mitogeni, e la proteina p21, che invece ostacola la progressione del ciclo e favorisce la quiescenza. Il contenuto di queste proteine nelle cellule figlie dipende in modo diretto dagli stimoli attivi sulla generazione precedente. Se la cellula madre è stata esposta a mitogeni e fattori di crescita, i livelli di ciclina D1 nella figlia risultano alti; se invece la cellula madre ha subito danni cellulari, che tendono a bloccare il ciclo, la figlia riporta alti livelli di proteina p21.

Il destino delle cellule figlie dipende dagli stimoli ricevuti dalla cellula madre (Immagine: Kedziora and Purvis, Nature 2017).



Il destino della cellula figlia si gioca quindi sulla competizione tra queste due proteine, visto che entrambe agiscono sul medesimo bersaglio molecolare: la ciclina D1 favorisce la fosforilazione della proteina del retinoblastoma (Rb), mentre p21 ne favorisce la defosforilazione. Questa competizione tra le due proteine agisce come un interruttore molecolare che, in definitiva, determina il destino della cellula.

Un punto critico di questo modello riguarda il tempo d’azione. Le proteine p21 e ciclina D1 si degradano piuttosto velocemente: la loro emivita è quindi troppo breve perché il loro trasferimento dalla cellula madre alla cellula figlia possa garantire una memoria affidabile e duratura. Perché il sistema funzioni, la cellula deve quindi fare affidamento su molecole più stabili. Per la ciclina D1, la vera memoria molecolare è costituita non dalla proteina ma dal suo mRNA, che è molto più stabile. L’eredità molecolare di p21 è invece custodita da una proteina con un’emivita più lunga, p53, la cui funzione è proprio quella di regolare la sintesi di p21.

Questa studio dimostra per la prima volta che la competizione tra solo due fattori molecolari è un meccanismo sufficiente a guidare il destino proliferativo di una cellula. Sufficiente, ma non l’unico: non bisogna dimenticare che le cellule si trovano continuamente immerse in una rete di stimoli, alcuni dei quali possono interagire con il cocktail materno e reindirizzare il destino della cellula.


Lara Rossi
, da Zanichelli Aula di Scienze

Immagine: By Edmund Beecher Wilson [Public domain], via Wikimedia Commons