06 Set Sentire la Forza
E’ una abilità delle cellule che indirizza e regola lo sviluppo del metabolismo umano dall’embrione all’età adulta.
Gli spostamenti del corpo umano nell’ambiente, Il tocco degli oggetti sulla pelle, gli effetti della pressione del sangue e dell’aria sul sistema vascolare, dentro le orecchie e nei polmoni, i movimenti dell’embrione nell’utero, producono sequenze di segnali meccanici che diventano informazioni preziose per il funzionamento delle nostre cellule. È il paradigma che accomuna le società animali e delle piante ed è lo spartiacque fra salute e malattia.
Nell’ottobre del 2010 la rivista Science ha pubblicato un articolo redatto da un gruppo di biologi dello Scripps Research Institute di La Jolla in California coordinati da Ardem Patapoutian. Sono stati presentate le conclusioni raggiunte da alcuni studi clinici realizzati su un inedito e poco conosciuto settore della ricerca biologica: la meccanotrasduzione. Proteine specializzate sensibili al tocco e alla pressione, trasformano i segnali meccanici provenienti dall’ambiente e dall’interno del corpo stesso, in flussi di cariche elettriche che vengono trasferite all’interno delle cellule attraverso canali di comunicazione che si aprono nelle loro membrane e ne guidano il funzionamento.
“E’ un modello di regolazione del metabolismo cellulare inedito che si sovrappone a quello finora noto di natura biochimica” commenta Marcin Szczot del National Institute of Health di Bethesda nel Maryland. La meccanotrasduzione “E’ una funzione che svolge un ruolo cruciale nella fisiologia di animali, piante e protozoi. Nei mammiferi lo sviluppo embrionale, il tocco, il dolore, la propriocezione, l’udito, il controllo del flusso sanguigno nei vasi sanguigni, la crescita dei polmoni, l’omeostasi dei muscoli e delle ossa sono tutte attività regolate da questa nuova classe di proteine, che trasformano il movimento e la pressione dei fluidi, in segnali elettrici che regolano il metabolismo delle cellule.” E’ l’incipit dell’articolo pubblicato da Science.
Piezo1 e Piezo2 sono state le prime proteine meccanosensibili ad essere identificate, altre sono seguite come le OSCA e le TMEM63. Formano una classe specializzata che si differenzia al suo interno per il tipo e la quantità di aminoacidi della loro composizione, elementi che ne condizionano la struttura ternaria e la loro funzionalità. Sono posizionate nelle membrane cellulari e diventano un canale di comunicazione tra esterno e interno che si apre e si richiude in pochi millisecondi quando vengono stimolate da forze meccaniche, dalla pressione del flusso sanguigno o dell’aria, dalla tensione muscolare o anche dal più leggero tocco sulla pelle.
“Grande importanza ha svolto nello studio di queste proteine l’uso del microscopio crio-elettronico perché di solito sono composte da oltre duemila aminoacidi con intricate strutture ternarie, molto compatte e non decodificabili con i normali strumenti di laboratorio come i raggi X.” commenta il biologo Bailong Xiao della Tsinghua University di Beijing “Questo sofisticato microscopio ci ha permesso di individuare alcuni dettagli importanti di queste macro molecole, in particolare il cruciale meccanismo di apertura e chiusura del canale di comunicazione fra esterno e interno della cellula”.
Il nostro mondo tattile ha un alto grado di sensibilità. Il posarsi di una foglia sulla mano, una calda brezza, le gocce di pioggia, una carezza, generano forze meccaniche di intensità differenti sulla pelle. Non abbiamo alcuna difficoltà di interpretazione di questi avvenimenti diversi uno dall’altro per intensità, grazie al sofisticato senso del tocco di cui disponiamo. Si avvale di neuroni sensoriali i quali trasferiscono al cervello le informazioni che ricevono dall’ambiente. Sulla nostra pelle é presente un apparato di cellule sensibili al tocco in grado di interpretarne le mille possibili sfumature.
Sono le cellule di Merkel che si differenziano da quelle epiteliali perché hanno uno stretto legame funzionale con i neuroni sensori. “Recenti studi clinici hanno fornito l’evidenza che le loro particolari sensibilità al tocco, al limite del subliminale, sono dovute alla presenza delle proteine Piezo2 nelle loro membrane cellulari” dice Martin Szczot. Cellule Merkel, proteine Piezo, neuroni sensori e l’abilità delle nostre mani di costruire e manipolare oggetti, hanno avuto un ruolo cruciale nell’indirizzare il nostro successo evolutivo.
Il meccanismo molecolare che é alla base della propriocezione, definito anche ‘sesto senso’, é rimasto elusivo per molto tempo. Questa misteriosa e poco conosciuta sensibilità ha la funzione di inviare al cervello i necessari feedback sulla posizione del corpo nell’ambiente attraverso i neuroni propriocettivi che si innervano sui muscoli adibiti ad equilibrare la risposta del corpo nei suoi movimenti quotidiani.
“I nostri dati clinici indicano che una delle principali patologie prodotta da un malfunzionamento del gene che esprime Piezo2, é la compromissione parziale o totale della propriocezione.” osserva Alexander Chesler del National Institutes of Health a Bethesda in Maryland. Una sindrome da deficienza di Piezo 2 é stata definita.”Gli individui che soffrono di questa patologia, sono scoordinati con movimenti incontrollati, incapaci di percepire la posizione dei loro arti e delle mani nello spazio che li circonda, mancano di riflessi nei tendini, hanno difficoltà ad eseguire anche i più semplici compiti motori quando hanno gli occhi chiusi e sono iposensibili al tocco sulla pelle” conclude Chesler.
Una delle possibili patologie dei neonati é la displasia all’anca, un anormale posizionamento della testa del femore nella cavità acetabolare. E’ l’effetto di una insufficiente presenza di forze meccaniche durante la gestazione. “In anni recenti é diventato chiaro che in loro mancanza alcuni processi cellulari chiave durante l’organogenesi possano essere compromessi. Nel caso dello sviluppo del sistema muscolo-scheletrico, le forze esogene che agiscono sui tendini e sullo scheletro sono il risultato di contrazioni muscolari del feto” ricorda Neta Felsenthal del Weizman Istitute of Science, Rehovot, Israele. “E’ ormai accertata l’importanza della presenza di segnali meccanici durante l’organogenesi e della loro trasduzione a livello cellulare, mentre la loro assenza é stata individuata come la probabile causa di alcune patologie dell’infanzia. La corretta formazione dei tendini e dei suoi collegamenti con il muscolo, hanno bisogno della presenza di adeguati segnali meccanici durante il processo di sviluppo. In loro assenza non si forma la cartilagine che li lega al muscolo, con la compromissione totale o parziale dell’articolazione interessata.
“Il panorama di ricerca che si é aperto davanti a noi dopo la definizione strutturale e funzionale di queste proteine, si é rivelato molto più ampio delle nostre previsioni iniziali, anche se eravamo consapevoli che stavamo muovendoci attraverso alcuni percorsi del metabolismo umano fino a poco tempo prima ancora inesplorati” é il commento di Patapoutian a cui é stato assegnato nel 2021 il premio Nobel per la Medicina per queste ricerche.
