Mitocondri ed invecchiamento: le proteine disaccoppianti (UCPs) in prospettiva evolutiva

Come e’ spiegabile la grande variabilita’ della velocita’ di invecchiamento e quindi della longevita’ nei vari gruppi di organismi viventi? Come spiegare inoltre l’indubbia variabilita’ intraspecifica?Compare sul numero di dicembre di

Come e’ spiegabile la grande variabilita’ della velocita’ di invecchiamento e quindi della longevita’ nei vari gruppi di organismi viventi? Come spiegare inoltre l’indubbia variabilita’ intraspecifica?

Compare sul numero di dicembre di The American Naturalist un articolo firmato dal gruppo del biologo molecolare Daniel Ricquier, del CNR francese, che analizza le conoscenze accumulate negli ultimi dieci anni sull’evoluzione e sul ruolo delle proteine UCPs nel guidare le condizioni di invecchiamento in vari gruppi tassonomici e nella variabilita’ intraspecifica. La funzione e l’espressione delle UCPs e’ stata esplorata attraverso studi sperimentali e comparativi: questi costituiscono un’opportunita’ importante di stabilire un legame tra biologia molecolare e biologia evolutiva.

E’ ormai accettato che uno dei principali meccanismi di invecchiamento cellulare e, di conseguenza, degli organismi sia determinato dal danno indotto dal cosiddetto stress ossidativo. Esso deriva dalla produzione di specie dell’ossigeno altamente reattive (ROS) che accompagna la produzione di energia (sotto forma di ATP) nei mitocondri. La produzione di ROS e’ inevitabile, e la sua quantita’ dipende da vari fattori, tra cui la velocita’ metabolica dell’organismo e l’efficienza di funzionamento dei mitocondri. Il danno indotto, che causa l’invecchiamento di un organismo, si esplica a vari livelli: sul DNA, sulle proteine, sui lipidi ed anche sulla regolazione genica. Gli organismi contrastano gli effetti dei ROS in tre modi: sfruttando opportune molecole antiossidanti (come ad esempio enzimi e vitamine), mettendo in atto meccanismi di riparazione cellulare e minimizzando la quantita’ di ROS prodotta. Il lavoro di Ricquier, si e’ focalizzato su quest’ultimo aspetto, finora poco studiato, indagando in particolare sul ruolo delle UCPs, le proteine disaccoppianti dei mitocondri, essendo egli impegnato personalmente in questo tipo di ricerca.

Le UCPs costituiscono una famiglia di proteine impegnate nei mitocondri come trasportatori della membrana interna, e sono implicate nella regolazione della produzione di ROS. La prima proteina della famiglia ad essere scoperta, gia’ nel 1984, fu UCP1, contenuta unicamente nel grasso bruno e coinvolta nella termogenesi, un processo alternativo di respirazione mitocondriale che determina la produzione di calore in alternativa alla produzione di ATP. Da allora alla famiglia si sono aggiunte UCP2, ubiquitaria, ed UCP3, principalmente espressa nei muscoli scheletrici: queste due sembrano particolarmente coinvolte nel contenimento della produzione cellulare di radicali liberi. Le UCPs sono state via via trovate in numerosi organismi, dai vegetali, ai funghi, ai protozoi, dagli invertebrati ai vertebrati, sia ectotermi che endotermi: cio’ e’ segno di una loro rapida comparsa nell’evoluzione degli eucarioti. La loro funzione appare molteplice, ma sempre legata al controllo nella produzione di ROS nei mitocondri, con un ruolo quindi determinante nell’insorgenza di patologie legate all’eta’.

In animali modello, quale ad esempio il ratto, si e’ accertato che la senescenza, cioe’ il declino nel tempo delle prestazioni legate al mantenimento somatico e alla riproduzione, dipende sia dal rogressivo aumento della produzione di ROS nei mitocondri, sia alla contemporanea diminuzione dell’espressione delle UCPs. La conoscenza dei meccanismi che regolano questi due fattori potrebbe portare ad una maggiore comprensione circa la specificita’ dell’attesa di vita in una specie e la variabilita’ di questa all’interno della specie stessa. Lo studio delle UCPs, ad esempio, ha permesso di smentire l’ipotesi secondo cui gli organismi dotati di metabolismo elevato (sostenuto da un’alta produzione energetica) dovessero necessariamente andare incontro piu’ rapidamente ai danni da stress ossidativo. Negli uccelli e’ stata riscontrata infatti un’omologa UCP “aviaria”, simile ad UCP2 e UCP3 dei mammiferi, che li protegge dai radicali liberi ssicurando loro una maggiore longevita’ rispetto ai mammiferi di dimensioni simili.

L’UCP aviaria sarebbe inoltre coinvolta nel funzionamento del sistema immunitario e nell’espressione dei segnali sessuali, quali aspetto e colore del iumaggio e del becco. Per cio’ che riguarda il sistema immunitario, alcuni studi sui topi dimostrano che una maggiore produzione di ROS da parte dei macrofagi impeganti nel rispondere ad un processo infettivo e’ alla base del successo della risposta immunitaria: le specie reattive dell’ossigeno sarebbero in questo caso un’arma contro gli agenti patogeni. In prospettiva evolutiva, si specula che le UCPs abbiano adattato uno schema di espressione ottimale, tale da massimizzare il rapporto benefici/costi nella produzione di ROS da parte dei mitocondri delle cellule impegnate nella risposta immunitaria, ome macrofagi e linfociti B e T. Per quanto riguarda invece l’espressione dei tratti sessuali negli uccelli, si sa che questi sono particolarmente legati alla disponibilita’ nelle cellule di pelle, piume e becco dei carotenoidi, composti organici dal tipico colore giallo, arancione o rosso, determinato dalla presenza nella struttura molecolare di doppi legami alternati. I carotenoidi hanno anche un’importante funzione nel processo immunitario, e quindi la scelta sessuale del maschio piu’ colorato comporta allo stesso tempo la scelta del maschio piu’ sano, perche’ piu’ pronto a rispondere alle infezioni. I carotenoidi fungono inoltre da anti-ossidanti, percio’ vengonoconsumati in caso di grande produzione di ROS: appare dunque ragionevole pensare che e UCPs rivestano anche in questo caso un ruolo importante, permettendo una maggiore isponibilita’ dei carotenoidi per le funzioni immunitarie e di segnale sessuale, dirottandoli dalla oro funzione di anti-ossidanti.

Paola Nardi