Quando la temperatura dell'acqua cambia, cambiano anche i motori molecolari dei cefalopodi

Apr 21, 2023

I cefalopodi sono una grande famiglia di animali marini che comprende polpi, seppie e calamari. Vivono in ogni oceano, dalle acque tropicali calde e poco profonde alle profondità abissali quasi gelide. Ancora più notevole, riferiscono due scienziati dell'Università della California a San Diego in un nuovo studio, almeno alcuni cefalopodi possiedono la capacità di ricodificare i motori proteici all'interno delle cellule per adattarsi "al volo" alle diverse temperature dell'acqua.

Scrivendo nell'edizione dell'8 giugno 2023 di Cell, la prima autrice Kavita J. Rangan, PhD, ricercatrice post-dottorato nel laboratorio dell'autrice senior Samara L. Reck-Peterson, PhD, professoressa nei dipartimenti di Medicina Cellulare e Molecolare presso l'UC La Scuola di Medicina e Biologia Cellulare e dello Sviluppo di San Diego presso l'UC San Diego e un ricercatore dell'Howard Hughes Medical Institute, descrivono come i calamari costieri opalescenti (Doryteuthis opalescens) utilizzano la ricodifica dell'RNA per modificare gli amminoacidi a livello proteico, migliorando la funzione dei processi molecolari motori che svolgono diverse funzioni all’interno delle cellule nelle acque più fredde.

La ricodifica dell'RNA consente agli organismi di modificare le informazioni genetiche dal progetto genomico per creare nuove proteine. Il processo è raro negli esseri umani, ma è comune nei cefalopodi dal corpo molle, come D. opalescens, che effettua migrazioni stagionali per la deposizione delle uova lungo la costa di San Diego.

"I cefalopodi come D. opalescens sono notevoli per il loro grande sistema nervoso, le innovazioni corporee e i comportamenti complessi", ha detto Rangan, "e il loro ampio uso della ricodifica dell'RNA ha sollevato molte domande su come questo processo potrebbe essere coinvolto nella risposta a segnali ambientali come la temperatura. "

Nel nuovo studio, Rangan e Reck-Peterson hanno esaminato i cambiamenti di una coppia di proteine ​​nelle cellule di calamaro che fungono da motori molecolari trasportando una varietà di carichi intracellulari lungo le autostrade cellulari chiamate microtubuli. Nello specifico, i ricercatori si sono concentrati sulle proteine ​​motrici molecolari chiamate chinesina e dineina, entrambe fondamentali per il trasporto all’interno di tutte le cellule, compresi i neuroni. Negli esseri umani, le mutazioni in entrambi i motori sono collegate a malattie neurodegenerative.

Lavorando con i cuccioli di calamari vivi presso lo Scripps Institution of Oceanography, Rangan ha scoperto che la ricodificazione della chinesina aumentava negli animali quando sperimentavano temperature dell’acqua oceanica più fredde. Rangan ha poi ricreato le proteine ​​chinesina ricodificate utilizzando la tecnologia del DNA ricombinante e la biochimica. Ha poi misurato il movimento delle singole molecole motorie utilizzando la microscopia ottica avanzata e ha scoperto che i motori kinesin ricodificati funzionavano meglio a temperature fredde.

"Il lavoro suggerisce che i calamari possono adattare al volo il loro proteoma (l'intero complemento di proteine ​​di un organismo) in risposta ai cambiamenti della temperatura dell'oceano", ha affermato Reck-Peterson. “Si può ipotizzare che ciò consenta a questi ectotermi marini – animali che dipendono da fonti esterne di calore corporeo – di sopravvivere e prosperare in un’ampia gamma di temperature oceaniche”.

Gli scienziati hanno anche scoperto che la ricodifica dell'RNA variava tra i tessuti, generando nuove varianti di chinesina con proprietà di movimento distinte.

"Questo lavoro supporta l'idea che la ricodifica nei cefalopodi è importante per regolare dinamicamente la funzione delle proteine ​​per supportare i bisogni fisiologici e adattarsi alle mutevoli condizioni ambientali", ha affermato Reck-Peterson. "Questi animali stanno adottando un approccio assolutamente unico per adattarsi all'ambiente circostante."

Rangan ha affermato che i risultati suggeriscono anche che l'"editoma" del calamaro potrebbe essere una risorsa preziosa per evidenziare regioni di molecole che sono suscettibili di plasticità o cambiamento. Attualmente sta sviluppando un database che include l'intero editoma dei calamari a diverse temperature dell'oceano.

"Nelle proteine ​​altamente conservate, come la chinesina e la dineina, i siti di ricodifica dei cefalopodi possono indicare residui trascurati di significato funzionale, ha affermato Rangan, "e questo ha implicazioni più ampie per comprendere la funzione proteica di base e per progettare proteine ​​con funzioni specifiche. I cefalopodi potrebbero essere in grado di mostrarci dove guardare e quali modifiche apportare."