Il controllo delle reti cellular

I recenti dati sperimentali e in particolare quelli sul controllo dei processi metabo- lici e degli orologi biologici sono fortemente in accordo con lo scenario suggerito dalla Teoria binaria (Damiani 2005). Ad esempio, la distribuzione del flusso metabolico di Escherichia coli segue leggi frattali di potenza (Almaas et al. 2004). Inoltre l’analisi delle reti metaboliche di 43 organismi diversi dei tre principali raggruppamenti tasso- nomici (Eucarioti, Batteri e Archaea) indica che il metabolismo cellulare è governato da leggi di potenza universali (Barbasi & Oltvai 2004). Anche la rete di interazioni proteina-proteina in diverse specie ha le caratteristiche di una rete frattale (Wuchty 2002). Ulteriori esempi di organizzazioni gerarchiche e invarianti rispetto alla scala includono le reti genetiche, in cui i nodi sono geni individuali e le maglie sono de- rivate dalle correlazioni ottenute dai dati di espressione genica basati sui microarray (Ueda et al. 2004). La dinamica dell’espressione genica presenta lo stesso andamento frattale da Escherichia coli ad Homo sapiens: i cambiamenti di espressione dei geni sono proporzionali ai loro livelli di espressione. In conclusione, l’analisi dei processi meta-

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bolici, delle interazioni proteina-proteina e dei dati di espressione genica in differenti organismi indica che le reti metaboliche cellulari hanno una stessa topologia gerarchi- ca e frattale descritta da leggi di potenza. L’architettura frattale permette la formazione di correlazioni a lungo raggio delle reti cellulari, che sono regolate globalmente da un punto critico sensibile allo stato redox (Damiani 2005).

Il meccanismo fondamentale redox-dipendente che regola il punto critico è ge- neralmente costituito da uno o più cicli di fosforilazione-defosforilazione, mediati rispettivamente da chinasi e da fosfatasi. Questi cicli sono i motivi più comuni nelle reti di segnalazione e seguono spesso una dinamica oscillante (Sauro & Kholodenko 2004). Diversi cicli sono collegati formando stratificazioni frattali, le cosiddette casca- te, che sono in grado di amplificare e integrare il segnale iniziale. Le cascate, partico- larmente nelle cellule eucariotiche, formano una rete complessa di collegamenti che convergono e divergono dal punto critico di controllo.

Un sistema costituito dalla chinasi KaiC produce un ciclo oscillante responsabile del ritmo circadiano del cianobatterio Synechococcus elongatus e funziona anche in vi- tro assieme soltanto alle due proteine KaiA e KaiB e all’ATP (Nakajima et al. 2005). Nei Procarioti sono molto diffusi i sistemi di chinasi a due componenti (Elsen et al. 2004). I due elementi del sistema sono un sensore ed un effettore. Il sensore è spesso una istidina chinasi costituita da un dominio di ricezione del segnale e da un modulo trasmettitore in grado di trasferire un gruppo fosfato. L’effettore consiste in un domi- nio ricevitore del fosfato e in un modulo che trasmette il segnale in uscita all’apparato cellulare. L’istidina chinasi è attivata da un processo autocatalitico di autofosforilazio- ne soltanto in presenza di una condizione specifica, come ad esempio un cambiamen- to nel potenziale redox endocellulare. Quindi, è possibile che l’interazione tra sensore ed effettore in molti sistemi a due componenti segua una dinamica preda-predatore, regolata da segnali redox.

Dopo l’evoluzione del sistema a due componenti, i meccanismi di trasduzione dei segnali si sono sviluppati verso reti molto complesse nelle cellule dei Metazoi. È proba- bile che un ruolo centrale nel controllo di questi punti critici sia giocato dalla caseina chinasi 2 (CK2) e dalla glicogeno sintasi chinasi 3 (GSK3) (Damiani 2005). La maggior parte delle cascate inibitorie (ed in particolare la via di Notch) attivano la GSK3 che fosforila centinaia di proteine coinvolte nella stasi e nella morte cellulare per apoptosi o necrosi (Juhaszova et al. 2004; Jope & Johnson 2004). La maggior parte delle cascate attivatorie (ed in particolare la via di Wnt) attiva la produzione di radicali liberi (ROS) e la CK2 che fosforila centinaia di proteine coinvolte nella sopravvivenza e nella prolifera- zione delle cellule (Ahmed et al. 2002; Meggio & Pinna 2003). Le sottounità catalitiche di CK2 e GSK3 sono sensibili all’equilibrio redox in modo opposto e vengono attivate e inattivate in modo sequenziale. In presenza di un segnale di attivazione mediato dai ROS viene attivata la CK2 e inattivata la GSK3 mentre in un secondo tempo, soprattut- to se la cellula ha una carenza di potenziale riducente e quindi va verso la stasi o la mor- te, la CK2 viene inattivata e la GSK3 ritorna attiva. Inoltre, il litio con carica elettrica positiva è un inibitore selettivo di GSK3 mentre la CK2 è attivata da piccole molecole con carica elettrica positiva, come le poliammine, ed è inibito dalle piccole molecole con

carica negativa. Negli eucarioti, la GSK3 e la CK2 controllano i meccanismi molecolari alla base dei ritmi circadiani (Blau 2003) (Fig. 5).

Negli orologi biologici, le proteine (spesso dotate di domini PAS) e gli RNA cata- bolici sono soggetti ad una variazione sinusoidale sfasata di un quarto di fase rispetto a quella di proteine e RNA anabolici in accordo con l’equilibrio di Lotka-Volterra. Le proteine che costituiscono gli orologi biologici cellulari sono sensibili a numerosi segnali esterni (luce, radiazioni UV, temperatura, pH) e interni (equilibrio delle coppie redox costituite da gruppi tiolici, NADPH, NADH, ATP, amminoacidi, metaboliti, gas, ec- cetera) (Bell-Pedersen et al. 2005, Kumar 2005). Inoltre, è stato dimostrato in diversi organismi che l’espressione di quasi tutti i geni è soggetta a ritmi di tipo circadiano. Le prove sperimentali indicano che negli animali superiori non solo i ritmi circadiani e il ciclo cellulare (Rutter et al. 2004; Merrow & Roenneberg 2004), ma anche la forma- zione della polarità nell’uovo fecondato (Holland 2002), gli orologi di segmentazione (Aulehla & Hermann 2004) e la risposta immunitaria (Martin et al. 2005) sono rego- lati da CK2 e da GSK3 in modo opposto (Fig. 6). Le vie Notch e Wnt regolano molti processi morfogenetici secondo la semplice regola che generalmente la prima inibisce e la seconda aumenta la proliferazione cellulare e la formazione di strutture vascolari. Per esempio, le proteine Notch4 e Wnt-1 regolano in modo opposto la morfogenesi vasco- lare di cellule mammarie epiteliali (Uyttendaele et al. 1998).