L'insorgenza di diverse malattie legate all'età (AgingRelatedDiseases, ARD) quali per esempio malattie cardiovascolari, disturbi neurodegenerativi e cancro risulta essere attualmente in crescita. Infatti, con l¿estensione dell'aspettativa di vita umana, il numero di pazienti con ARD aumenta rapidamente e rappresenta una sfida ai sistemi sanitari a livello globale.
L'invecchiamento può essere descritto come un processo multifattoriale derivante dall'interazione di fattori sia genetici che ambientali; il costo e le problematiche etiche legate agli studi sull¿invecchiamento umano e le ARD, portano all¿impiego di sistemi modello, i quali possono fornire risposte circa i meccanismi di base che sono facilmente traslabili ai meccanismi umani.
Il lievito Saccharomyces cerevisiae è da tempo utilizzato come modello eucariotico ed ha fornito molte risposte ad interrogativi complessi prontamente traslate nei metazoi.
Il presente progetto si propone di studiare l¿effetto dello stress sull'invecchiamento e sulle malattie ad esso correlate nel sistema modello S. cerevisiae tenendo conto sia dei fattori genetici, tramite l'uso di mutanti, che ambientali, variando le condizioni di coltura e valutando l'effetto di metaboliti prodotti dal metabolismo dello stesso lievito o da altri microrganismi in co-coltura. Verrà valutata in tutte queste circostanze, il ruolo dell'autofagia, un processo fondamentale per il mantenimento della salute cellulare.
Verrà anche valutato il coinvolgimento mitocondriale nel processo di invecchiamento, analizzando la morfologia mitocondriale, la capacità respirativa e il contenuto del DNA mitocondriale dei dive3rsi mutanti nelle diverse condizioni di crescita. Verra inoltre investiogata la mitofagia, come autofagia selettiva dei mitocondri.
I risultati ottenuti utilizzando diversi modelli sperimentali hanno mostrato che il rapporto ROS-invecchiamento è estremamente complesso. Infatti, basse concentrazioni di ROS sono necessarie per indurre le difese antiossidanti che proteggono la cellula dai danni ossidativi e ne promuovono la longevità. D¿altra parte, se i livelli di ROS superano le capacità protettive degli antiossidanti, si instaureranno dei danni ossidativi che determineranno l¿acceleramento del processo di invecchiamento e lo sviluppo di malattie ad esso correlate. I meccanismi molecolari della risposta allo stress ossidativo nella biologia dell¿invecchiamento non sono ancora stati del tutto compresi e l¿uso di modelli semplici può essere di grande aiuto per dipanare questi interrogativi.
Studi sul lievito hanno contribuito largamente alle nostre conoscenze sui processi di invecchiamento e l¿instaurarsi di malattie (Eleutherio et al, 2018). Le risposte allo stress ossidativo sono conservate nel corso dell¿evoluzione dal lievito all¿uomo e la ridotta ridondanza genetica in lievito consente di visualizzare facilmente gli effetti di una mutazione o dell¿assenza di un gene. Tramite la manipolazione delle condizioni di crescita, il lievito può utilizzare il solo metabolismo fermentativo o quello respiratorio. Questa flessibilità metabolica facilita la comprensione dei meccanismi coinvolti nell¿acquisizione della tolleranza allo stress ossidativo. Inoltre, i database di lievito sono i più completi di tutti i modelli eucariotici e consentono di affrontare indagini genomiche ad alta prestazione.
E¿ stato recentemente proposto un legame tra l¿induzione del processo autofagico e la produzione di vescicole extracellulari in condizioni di stress, ma le conoscenze che mettono in relazione questi aspetti sono per lo più sconosciute.
In presenza di stress o durante l¿invecchiamento, i mitocondri non funzionali vengono degradati principalmente per mitofagia. Recentemente però, nei mammiferi sono stati ritrovati negli esosomi componenti mitocondriali, indicando che il riciclo di questi organelli durante l¿¿invecchiamento e la risposta allo stress si sta arricchendo di nuove inesplorate possibilità (Picca et al., 2020). La conoscenza dei meccanismi sottostanti questi pathways potrebbe essere di grande aiuto per la comprensione della regolazione della salute cellulare e della comunicazione intercellulare.
La possibilità di analizzare in lievito i difetti mitocondriali rafforza la validità del modello per la caratterizzazione dei processi di invecchiamento. Le alterazioni di funzionalità, come perdita della capacità respirativa, sono spesso accompagnate da alterazioni della morfologia mitocondriale. La deplezione del mtDNA, che nell¿uomo è associata a numerose patologie degenerative (Viscomi and Zeviani, 2017), è un fenotipo che può essere facilmente caratterizzato in lievito.
L¿uso del lievito come organismo modello, gli approcci multidisciplinari e lo studio di co-colture nel nostro progetto di ricerca rappresentano elementi di innovazione in quanto i risultati ottenuti forniranno una conoscenza prontamente traslabile ad altri modelli eucariotici.
Referenze
Eleutherio et al, Fungal Biol (2018) 122: 514-525.
Picca A, et al., . J Clin Med. 2020;9(5):E1440. Published 2020 May 12. doi:10.3390/jcm9051440
Viscomi and Zeviani, J Inherit Metab Dis (2017) 40:587-599