la risposta delle cellule all’ossigeno è una scoperta da Nobel

L’ossigeno,  è uno degli elementi essenziali per la vita. A livello cellulare è il carburante che alimenta i mitocondri, e permette le reazioni chimiche trasformano il cibo in energia. In questo modo si alimentano tutti i processi del nostro organismo. È per questo che le cellule devono sempre sapere quanto ossigeno hanno a disposizione, in modo da regolare i propri processi metabolici.  In particolare la respirazione, in base alla presenza/assenza di questo elemento.

Fin qui, si tratta di conoscenze note da tempo, che sono fruttate, nel tempo, già ben due premi Nobel. Il primo nel 1931, a Otto Warburg, scopritore dell’enzima che permette la respirazione cellulare. Cioè la trasformazione (attraverso reazioni chimiche a cui partecipa anche l’ossigeno) dei nutrienti in Atp, il carburante delle cellule.

Il secondo è arrivato pochi anni più tardi. Nel 1938, per l’esattezza, quando Corneille Heymans si è visto assegnare il premio Nobel per la medicina per aver scoperto che esistono delle strutture specializzate, dette corpi caritodei. Queste strutture sono poste nei pressi delle arterie carotidi (quelle del collo), responsabili di monitorare il livello di ossigeno presente nel sangue. Queste strutture lo segnalano al cervello perché regoli il ritmo della respirazione. A metà dello scorso secolo, dunque, sapevamo già molto sui processi con cui il nostro corpo reagisce alla presenza, e all’assenza, dell’ossigeno. Ma mancava ancora un tassello. Una caratterizzazione di come questi processi vengono regolati a livello molecolare. Ed è qui che entrano in gioco le ricerche dei premi Nobel per la medicina del 2019.

Mancanza di ossigeno | ipossia

Nel nostro organismo le cellule devono agire di concerto per adattarsi a un’improvvisa scarsità di ossigeno. Ciò può avvenire per cause ambientali, come può capitare durante una gita in alta quota, o in caso di attività, come lo sport, che alterano le nostre esigenze di ossigenazione. In tutti casi in cui l’organismo deve produrre un’azione concertata per aumentare la ventilazione (respirando più in fretta), e quindi la disponibilità di ossigeno.

Contemporaneamente, la scarsità di ossigeno può interessare solamente alcuni tessuti del nostro corpo. Può capitare per mille motivi, alcuni fisiologici, altri patologici come in caso di ferite, infezioni o tumori, che bloccano l’apporto di sangue a un tessuto o a un gruppo di cellule. In questo caso, la risposta che viene messa in atto è ancora più complessa, e comprende fenomeni come l’angiogenesi, cioè la formazione di nuovi vasi sanguigni. L’infiammazione (che produce ipossia), e altre alterazioni nel metabolismo di cellule e tessuti. In entrambi i casi, comunque, alla base dei processi di adattamento alla scarsità di ossigeno vi sono, ovviamente, i nostri geni. Le modifiche che le cellule possono apportare alla loro espressione quando si trovano ad affrontare una penuria del prezioso ossigeno.

Arriva Hif
Negli anni ’80 gli scienziati sapevano da tempo che una delle reazioni del nostro organismo in caso di ipossia è un aumento dell’eritropoiesi, cioè della produzione di globuli rossi. Inoltre sapevano anche che a guidare questo processo sono un ormone, chiamatoeritropoietina, o Epo (erythropoietin hormone), e il gene che attiva e disattiva la sua produzione. Quel che mancava era però una spiegazione dei processi molecolari che spingono ad aumentare la secrezione di Epo negli organi preposti, ovvero i reni.

DNA e gene EPO

Lavorando nei laboratori della Johns Hopkins University, Gregg Semenza decise di cercare i meccanismi genetici che permettono di reagire alla mancanza di ossigeno. Utilizzando topi transgenici dimostrò che esistono specifiche porzioni di Dna situate nei pressi del gene Epo che reagiscono ai livelli di ossigeno disponibili nelle cellule. Queste porzioni di dna attivano la produzione dell’ormone (e quindi l’eritropoiesi) in caso di ipossia.

Negli stessi anni, anche Sir Peter John Ratcliffe aveva iniziato a interessarsi dell’eritropoietina in qualità di specialista di nefrologia. Così di pari passo con le ricerche di Semenza, anche lui aveva effettuato importanti scoperte sulla regolazione genetica della sua produzione. Non ultimo, il fatto che i meccanismi genetici che regolano l’attività del gene Epo non sono presenti solamente nei tessuti dei reni, ma in tutte le cellule dell’organismo. A dimostrare che si tratta di un meccanismo genetico responsabile di una vasta gamma di risposte alla mancanza di ossigeno, e non solamente della produzione di eritropoietina.

Il lavoro di entrambi culminò con la scoperta, annunciata da Semenza in un articolo del 1992, di un complesso proteico che si lega alle porzioni di Dna identificate in precedenza. Semenza decise di battezzare questo complesso di proteine Hif, o hypoxia-inducible factor. Dopo una serie di ulteriori ricerche ed esperimenti riuscì a caratterizzarlo con precisione, dimostrando che è composto da due sotto unità prodotte, a loro volta, da due geni differenti: Hif-1α, sensibile alla presenza di ossigeno, e Arent (o Aryl Hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator), che non reagisce alla presenza di ossigeno.

Il gene Vhl

Mentre i primi due neo premi Nobel mettevano in luce i meccanismi con cui le cellule rispondono alla disponibilità di ossigeno, William Kaelin era impegnato in un campo all’apparenza molto distante. Lo studio della sindrome di Von Hippel-Lindau, una malattia ereditaria molto rara che aumenta notevolmente il rischio di sviluppare alcune forme di tumore.

In che modo le sue ricerche si sono incrociate con quelle di Ratcliffe e Semenza? A quel punto  conoscevamo ormai il ruolo di Hif-1α nella regolazione della produzione di eritropoietina, e  sapevamo che la sua azione dipende dalla concentrazione in cui è presente all’interno della cellula. In condizioni normali, infatti, una proteina nota come ubiquitina si lega a Hif-1α e segnala alla cellula che questo complesso deve essere eliminato. Quando invece la cellula si trova in condizioni di ipossia l’ubiquitina non si lega a Hif-1α, i livelli di Hif aumentano e la cellula produce più eritropoietina. Quel che ancora non conoscevamo era il meccanismo con cui l’ubiquitina si lega, o meno, a Hif-1α, e come questo potesse dipendere dai livelli di ossigeno.

Il contributo di Kaelin

in effetti è stato proprio questo. Studiando la sindrome di Von Hippel-Lindau riuscì a dimostrare che il gene che risulta compromesso nei pazienti che ne soffrono, conosciuto come gene Vhl, ha un’azione protettiva nei confronti dei tumori. E che la presenza di una versione compromessa di Vhl è collegata a un aumento dell’attività dei geni che normalmente vengono trascritti quando le cellule si trovano in condizioni di ipossia. Vhl doveva quindi essere collegato ai meccanismi che regolano la risposta cellulare all’ossigeno.

Infatti, in breve tempo altri gruppi di ricerca dimostrarono che il gene e la proteina che codifica sono parte di un complesso meccanismo che regola il legame tra l’ubiquitina e Hif-1α. L’ultima tappa della nostra storia arriva quindi nel 2001, anno in cui Kaelin e Ratcliffe pubblicano simultaneamente, ma indipendentemente, una nuova scoperta. In condizioni di ossigenazione normale alcuni gruppi chimici conosciuti come idrossile (espresso con la formula -OH) vengono collegati a due porzioni di HIF-1α. Questa modifica permette a Vhl di riconoscerlo, legarvisi, e dare il via alla sua degradazione.Ciò accade grazie al contributo di un enzima noto come prolina idrossilasi, che per funzionare ha bisogno di ossigeno.

Ossigeno: una scoperta da Nobel

Le ricerche dei tre nuovi premi Nobel hanno quindi permesso di comprendere appieno i meccanismi con cui le cellule individuano la presenza o assenza di ossigeno. Così, danno il via a fenomeni come la produzione di nuovi vasi sanguigni e di globuli rossi. Negli ultimi decenni è stato inoltre dimostrato che i meccanismi di rilevazione dell’ossigeno sono coinvolti in moltissimi processi fisiologici. Essi vanno dall’attività del sistema immunitario, al corretto sviluppo fetale.

Come scoperto da Kaelin, rappresentano inoltre un fattore importante anche nello sviluppo di molti tipi di tumori, in cui il meccanismo viene hackerato per indurre la crescita di nuovi vasi sanguigni. Questi andranno ad irrorare la neoplasia in formazione, e rappresentano quindi un importante bersaglio. Questo in futuro potrebbe portare allo sviluppo di nuovi farmaci antitumorali. Tutte scoperte che, senza il lavoro pionieristico di Semenza, Ratcliffe e Kaelin non sarebbero mai state possibili.