Prioni fondamentali nell’evoluzione del lievito

Mucca produce latte umano

In biologia si sa che tutto ciò che viene tramandato da una generazione ad un’altra è scritto nel DNa. Tutto, eccetto alcune proteine – i prioni – che almeno nei lieviti potrebbero tramandarsi senza dover essere trascritte dai meccanismi genetici.

I prioni, proteine molto temute a causa del morbo della mucca pazza, sono normalmente usate dal lievito per ottenere effetti benefici sotto particolari condizioni di stress. Ricerche recenti condotte a Cambridge, in Massachusetts, hanno inoltre visto che tali effetti benefici possono essere ereditati dalle generazioni successive dei lieviti, per divenire alla fine congeniti nel genoma, contribuendo al cambiamento evolutivo. La scommessa dei ricercatori è quella di capire se, oltre ai lieviti, il prione può entrare in modo stabile anche nell’organismo umano.

Inizialmente, più di dieci anni fa, grazie a studi di laboratorio condotti su del semplice lievito usato dai panettieri, si era scoperto che i prioni producevano nuovi tratti ereditari. Il punto chiave della scoperta di allora è stato che alcune proteine potevano spontaneamente passare da una forma normale a una conformazione di prione che si perpetuava da sola. Il passaggio allo stato di prione ha alterato le funzioni stesse della proteina, come si è visto dall’aspetto dei nuovi tratti, alcuni utili alla vita della cellula ospite, altri decisamente “distruttivi”.  Per lo studio delle cellule in questione si era scoperto che i prioni replicanti vengono tagliati a pezzi e vengono tramandati alle cellule figlie durante la divisione cellulare.

L’elemento più significativo è stato vedere che la velocità con cui le proteine passavano dallo stato normale allo stato di prione aumentava a seconda dello stress ambientale. Ciò ha suggerito che le proteine mettevano in atto un proprio meccanismo di sopravvivenza, con lo scopo di aiutare i lieviti ad adattarsi ai cambiamenti che avvenivano attorno a loro. Ormai, così come è inconfutabile il caso di questo meccanismo di base di eredità della proteina, lo è anche il suo significato biologico, che è stato a lungo dibattuto per un motivo ben preciso: i prioni in grado di modificare i propri fenotipi non sono mai stati trovati in natura. Fino ad oggi, appunto.

Consapevoli del grande compito che li investiva, gli scienziati del Whitehead Institute di Cambridge hanno testato circa 700 ceppi di lievito selvatico preso da diversi ambienti, per esaminare in essi prioni noti e sconosciuti, trovandoli in un terzo di tutti i ceppi. Dai test si è dedotto che tutti i prioni sembrano in grado di ricreare svariati nuovi tratti, circa la metà dei quali sono benefici. Queste inattese scoperte, riportate in una dell’ultima edizione della rivista Nature, cozzano col luogo comune che vuole i prioni sempre distruttivi per i lieviti provenienti da colture di laboratorio.

“Una grossa parte dello sforzo è stata impiegata per studiare questo paradigma mutevole di eredità, ma senza una reale comprensione del fatto se sia o meno biologicamente importante”, ha detto Daniel Jarosz, primo autore della rivista Nature insieme a Susan Lindquist, membro ricercatrore del laboratorio di Whitehead. “Ora sembra chiaro che i prioni influenzano il modo naturale con cui i lieviti si combinano con i cambiamenti ambientali ed evolvono in risposta allo stress.” La caccia ai prioni nei ceppi di lievito selvaggio ha avuto inizio nel laboratorio di Lindquist, quando Jarosz e Randal Halfmann, un compagno di studi al Southwest Medical Center della University del Texas, hanno raccolto centinaia di ceppi selvatici da centri di stoccaggio di tutto il mondo.  In seguito i due scienziati hanno condotto un esame chimico su uno dei prioni più studiati, il PSI+, e l’hanno trovato in 10 ceppi selvaggi.

Manipolazioni genetiche hanno confermato che si trattava di un prione autentico.  Successivamente hanno osservato gli effetti sul PSI+ , in particolare riguardo ad alcuni tratti biologici, eliminando la conformazione del prione nei diversi ceppi ed esponendoli a  condizioni di stress naturale, come alta acidità, o alla presenza di agenti antifungini. In un ceppo isolato preso dal vino Beaujolais, per esempio, il prione ha fatto emergere dei tratti che potrebbero essere benefici o dannosi, a seconda delle condizioni ambientali.  Un altro noto prione, il prione MOT3+, è stato ugualmente individuato in sei lieviti selvaggi.  Per determinare se i lieviti selvaggi possano dare rifugio ad altri prioni sconosciuti, Jarosz and Halfmann hanno esposto insiemi di colture di tutti i ceppi allo stesso protocollo chimico, quello cioè che conduceva i prioni PSI+ e MOT3+ fuori dal loro stato di prione. Alla fine, tutti i 255 ceppi hanno dimostrato di sviluppare diversi fenotipi se sottoposti a stress di vario tipo. “Noi non ci aspettavamo di vedere questa grande diversità di fenotipi di prioni,”  ha spiegato Jarosz. “Si tratta di una scoperta notevole”.  Un’altra sorpresa è stata che approssimativamente il 40% dei tratti prodotti dai prioni selvatici è stato benefico e si è accresciuto in dozzine di diversi condizioni ambientali testate.

“I frequenti benefici registrati suggeriscono che i prioni sono stati preventivamente soggetti a precedenti e benèfici fenomeni di selezione”, ha detto Lindquist. “Il tutto è assimilabile a una specie di strategia di “protezione dal rischio” che permette ai lieviti di alterare rapidamente le proprietà biologiche quando gli ambienti diventano loro sfavorevoli.” Sicura dell’impatto che i prioni hanno avuto sull’evoluzione dei lieviti, Lindquist ha sostenuto che queste proteine dalla forma mutevole possono essere “ciò che rimane delle prime forme di vita”, in un tempo in cui l’ereditarietà era predominantemente basata sulle proteine piuttosto che sugli acidi nucleici. La stessa scienziata ha teorizzato che i prioni possono giocare simili ruoli non solo nei lieviti, e il suo laboratorio vuole ora dare la caccia ai prioni anche nell’uomo.