Ca2+ homeostasis in mammalian and plant peroxisomes

I perossisomi sono degli organelli intracellulari circondati da una singola membrana coinvolti nell’eliminazione di specie reattive dell’ossigeno, ?- e ?-ossidazione di acidi grassi, biosintesi di eteri di fosfolipidi e in altre reazioni metaboliche. Sebbene studi recenti abbiano elucidato i meccanismi alla base della formazione, della fusione- fissione e dell’importo di proteine nella matrice dei perossisomi, le informazioni riguardanti il ruolo dei perossisomi nel signalling cellulare sono scarse e, fino a poco tempo fa, quelle riguardanti il possibile ruolo dei perossisomi nel signalling cellulare del Ca2+ erano totalmente assenti. Il signalling del Ca2+ è alla base di un ampio numero di funzioni cellulari sia fisiologiche che patologiche e mentre il ruolo di compartimenti subcellulari come il reticolo endoplasmico, i mitocondri, il nucleo e l’apparato di Golgi nelle dinamiche intracellulari del Ca2+ è stato ampiamente studiato negli ultimi decenni, i perossisomi sono rimasti nella “zona d’ombra” di questo scenario. Infine, c’è stato ultimamente un rinnovato interesse circa le funzioni dei perossisomi grazie alla scoperta di un certo numero di malattie umane (chiamate “disordini dei perossisomi”) dovute a mutazioni di proteine perossisomiali. Per tutte queste ragioni, ho deciso di investigare se, e come, i perossisomi rivestono un qualche ruolo nell’omeostasi intracellulare del Ca2+. A questo scopo ho indirizzato alla matrice dei perossisomi una sonda per il Ca2+ geneticamente codificata e basata su FRET e ho potuto dimostrare che la concentrazione di Ca2+ nei perossisomi di cellule vive in condizioni di riposo è molto simile a quella citosolica mentre aumenti della concentrazione di Ca2+ (causati sia da mobilizzazione di Ca2+ dai depositi intracellulari che da influsso attraverso canali per il Ca2+ situati nella membrana plasmatica) sono solitamente seguiti da un lento aumento della concentrazione di Ca2+ nella matrice perossisomiale. Mi sono inoltre occupata della caratterizzazione del meccanismo che sta alla base dell’entrata di Ca2+ nei perossisomi e sono arrivata alla conclusione che questo fenomeno non è dovuto alla presenza di una pompa dipendente da ATP, né di un potenziale di membrana o di un gradiente di H+ o Na+. La membrana dei perossisomi sembra costituire una barriera che previene l’entrata di Ca2+ nel caso di aumenti brevi nel tempo, mentre nel caso di aumenti prolungati della concentrazione di Ca2+ nel citosol permette una lenta equilibrazione della concentrazione di Ca2+ nella matrice perossisomiale con l’ambiente citosolico. I perossisomi sembrano quindi costituire un nuovo sistema-tampone per il Ca2+del citosol, sebbene il loro meccanismo di influsso ed efflusso per il Ca2+ è totalmente differente da quello di ogni altro organello cellulare. La seconda parte del mio lavoro si è poi concentrata sullo studio dei possibili ruoli fisiologici del fenomeno dell’entrata di Ca2+ nei perossisomi. In letteratura non sono al momento riportati degli enzimi localizzati nei perossisomi delle cellule di mammifero che siano regolati da Ca2+; al contrario, alcuni enzimi localizzati nei perossisomi delle piante sembrano essere regolati da Ca2+. Di questi, quello che più mi è sembrato interessante è un’isoforma di un enzima deputato all’eliminazione di H2O2, la catalasi. L’attività di Cat3 è infatti riportata essere attivata in vitro da Ca2+ e calmodulina. La sonda per il Ca2+ utilizzata per lo studio dei perossisomi in cellule di mammifero è stata quindi indirizzata ai perossisomi di cellule vegetali e ha permesso di dimostrare che il fenomeno dell’entrata di Ca2+ nei perossisomi è molto simile, sia per ampiezza che per cinetica, tra perossisomi di mammifero e di pianta. L’iperpolarizzazione della membrana plasmatica ha dimostrato essere uno stimolo ripetibile che causa un prolungato aumento della concentrazione di Ca2+ nei perossisomi (e nel citosol) di pianta ed è quindi stato scelto per verificare se un aumento di Ca2+ nei perossisomi possa in qualche modo influenzare l’eliminazione di H2O2. Esperimenti preliminari effettuati in piante di Arabidopsis che esprimono stabilmente una sonda per H2O2 geneticamente codificata indicano che l’eliminazione di H2O2 è notevolmente accelerata in seguito all’entrata di Ca2+; questo correla con il livello di Cat3 espressa nei perossisomi.