Il ruolo del calcio nella formazione della memoria

RICERCANDO ALL’ESTERO – “I mitocondri sono delle prime donne: non erano contenti di fare l’ATP, dovevano avere anche tutti questi altri ruoli e quando hanno alterazioni possono causare malattie. È affascinante scoprire come funzioniamo: ci sono delle regole che si basano su reazioni chimiche e se qualcosa non va a livello cellulare, non è mail il caso o la sfortuna. C’è sempre un motivo, solo che non l’abbiamo ancora capito”.

Nome: Ilaria Drago
Età: 35 anni
Nata a: Conselve (PD)
Vivo a: Jupiter (Florida, Stati Uniti)
Dottorato in: Biologia cellulare (Padova)
Ricerca: Il ruolo dell’entrata di calcio nei mitocondri per la memoria nelle drosofile
Istituto: The Scripps Research Institute (Florida, USA)
Interessi: leggere, fare yoga
Di Jupiter mi piace: è sempre estate, fa caldo, c’è il sole, le palme, l’oceano: è come essere in vacanza
Di Jupiter non mi piace: è lontano dall’Italia, è un posto molto ricco che ti lascia una versione distorta della realtà
Pensiero: Vivi ogni giorno come se fosse l’ultimo. Di solito il consiglio era questo, ma chi aveva l’energia sufficiente per farlo? E se pioveva o eri di cattivo umore? Era poco pratico. Molto meglio cercare di essere coraggiosi e audaci e cambiare le cose in meglio. Non proprio il mondo, ma il pezzettino intorno a te. (David Nicholls, Un giorno)

I mitocondri sono conosciuti come la fabbrica energetica della cellula, cioè il luogo dove viene prodotto l’ATP, la benzina del nostro corpo. In realtà i mitocondri sono coinvolti in molti altri processi tra cui la comunicazione cellulare mediata dal calcio e i meccanismi di formazione della memoria. Di mitocondri e calcio abbiamo parlato qui qualche tempo fa con un’altra protagonista di Ricercando all’estero, Valentina Debattisti.

Qual è la relazione tra il calcio nei mitocondri e la memoria?

Il rapporto tra mitocondri e calcio è studiato da ben 50 anni, ma fino a qualche anno fa non si conosceva il tassello principale, ovvero l’identità della proteina che permette l’entrata di calcio nei mitocondri. Nel 2011 si è visto che, all’interno del complesso di proteine che regola lo scambio ionico tra citoplasma e mitocondri, la più importante è quella che forma il canale del calcio ed è chiamata MCU (Mitochondrial Calcium Uniporter).

Nel 2011 ero appena arrivata allo Scripp e la mia idea era cercare di capire il significato dell’entrata di calcio nei mitocondri, non tanto a livello cellulare come studiavano tutti, ma piuttosto a livello di organismo intero; in particolare ero interessata al suo ruolo nei meccanismi di formazione della memoria. Alla base di questa scelta ci sono due ragioni: in letteratura era noto da tempo che i mitocondri sono importanti per la funzione cerebrale e che in molte malattie neurodegenerative come Alzheimer e Parkinson questi organelli non funzionano in modo adeguato, anche se nulla si sapeva sul ruolo del calcio. A questo si aggiunge la recente scoperta che uno dei regolatori di MCU, chiamato MICU1, se mutato è responsabile di una malattia caratterizzata da miopatia muscolare e porta a un generale ritardo cognitivo.

Quali tecniche hai usato per studiare questa relazione?

In quel periodo ho scoperto di avere un’allergia ai topi e ho iniziato a lavorare con il moscerino della frutta, la Drosophila melanogaster. Il mio capo, Ron Davis, stava finendo uno screening high throughput in cui veniva silenziata, cioè repressa, l’espressione di più di 2000 proteine presenti nel sistema nervoso centrale (SNC) della drosofila, misurandone gli effetti sulla memoria. Il metodo usato è molto semplice: in una prima fase i moscerini sono inseriti in un tubo, sigillato da entrambe le parti e con all’interno una griglia, in cui viene introdotto un primo odore. Contemporaneamente è somministrato anche un piccolo shock elettrico, non doloroso ma nemmeno piacevole, in modo che le drosofile associno l’odore a un evento negativo.

Le mosche sono poi lasciate riposare per qualche secondo e in seguito si introduce un secondo odore, senza nessun altro stimolo. I trattamenti sono fatti a tempi diversi e poi le drosofile vengono trasferite in un apparato con due bracci chiamato T-maze, in cui nelle due aree ci sono gli stessi due odori usati durante l’addestramento. Se i moscerini ricordano il trattamento precedente, si posizionano nel braccio del T-maze in cui c’è il secondo odore, cercando di evitare quello associato allo shock elettrico. Contando quante mosche si posizionano in ciascuno dei due bracci, quindi quante mosche ricordano e quante no, possiamo quantificare la loro memoria.

Dallo screening sulle 2000 proteine era emerso che riducendo il livello di MCU o del regolatore MICU1 le mosche avevano meno memoria. Essendo un silenziamento a livello di tutto il sistema nervoso centrale, però, un’ipotesi era quella che le mosche più che non avere memoria non erano in grado di sentire né l’odore né l’elettroshock. Poiché la tecnica è molto solida e altamente riproducibile, ho pensato di usarla per la mia ricerca, andando a reprimere l’espressione di MCU e MICU non in tutto il cervello ma in alcune specifiche sottopopolazioni di neuroni.

Quello che ho scoperto è che l’entrata di calcio nei mitocondri è importante solo in strutture del cervello chiamate corpora pedunculata, conosciute come il principale centro neuronale per la memoria di tipo olfattivo. Utilizzando altre tecniche, abbiamo fatto ulteriori esperimenti per abbassare il livello di espressione di MCU e MICU1 in momenti precisi della vita delle drosofile, cioè durante lo sviluppo o nella mosca adulta.

Che risultati avete ottenuto?

Abbiamo visto che avere un regolare ingresso di calcio nei mitocondri durante lo sviluppo è fondamentale per la formazione della memoria e il suo mantenimento nelle drosofile adulte.
Siamo andati a verificare se la minore entrata di calcio fosse associata a differenze strutturali nei neuroni dei corpora pedunculata e abbiamo ottenuto due risultati. Innanzitutto, nelle mosche adulte questi neuroni hanno meno vescicole sinaptiche, anche se in realtà non sappiamo ancora se è una questione di numero o di dimensioni ridotte.

In secondo luogo, abbiamo osservato che quando c’è minore entrata di calcio nei mitocondri (quindi MCU è silenziato), una speciale sottopopolazione di neuroni dei corpora peduncolata è più lunga, come se l’ingresso di calcio azionasse un segnale di stop durante la crescita o lo sviluppo di queste cellule. Misurare la lunghezza dei neuroni, insieme al tasso di divisione e altri parametri, è stato possibile perché siamo riusciti a studiare le singole cellule separatamente. Per questo abbiamo usato un microscopio a due fotoni e uno speciale marcatore, una proteina fluorescente (Green Fluorescent Protein) che è attivata dalla luce. Così abbiamo attivato di volta in volta solo uno dei 2000 neuroni che compongono i corpora pedunculata.

Quale di questi due meccanismi – tra il numero di vescicole e le dimensioni dei neuroni – causi realmente il difetto nella memoria, ancora non lo sappiamo. Ma il risultato è davvero interessante, considerando che per quanto ne sappiamo al momento il silenziamento di MCU nei topi non ha nessuna conseguenza a livello cognitivo. La drosofila è, quindi, un buon organismo modello per studiare il ruolo dell’entrata di calcio nei mitocondri a livello di tutto l’organismo.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Ho appena cambiato progetto, mi occupo sempre di mitocondri e drosofila, ma questa volta studiando il processo di invecchiamento. Il vantaggio di usare questo modello animale è che già dopo qualche settimana i moscerini si possono considerare vecchi, e dopo 4-5 settimane manifestano problemi di memoria analoghi a quelli di un uomo di 70 anni.

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