Stat3-dependent mitochondrial DNA transcription drives stem cells proliferation in zebrafish

Il fattore trascrizionale STAT3 (Signal Transducer and Activator of Transcription 3), è noto per essere coinvolto in una varietà di processi fisiologici tra i quali lo sviluppo, il differenziamento cellulare, l’immunità e il metabolismo, attraverso la regolazione dell’espressione di geni target anti-apoptotici, pro-proliferativi e coinvolti nei meccanismi di risposta immunitaria. Inoltre, è stata osservata l’attivazione ectopica della via di segnale STAT3 in numerose patologie umane che includono il 70% dei tumori sia solidi che ematologici. Con lo scopo di studiare in vivo il ruolo di Stat3 sia in condizioni fisiologiche che nel processo di patogenesi, è stata generata una linea transgenica biosensore della via canonica di segnale Stat3, in grado di riportarne l’attivazione spaziale e temporale nell’organismo modello zebrafish. Essa esprime la proteina fluorescente verde EGFP sotto il controllo di 7 elementi ripetuti in tandem contenenti le sequenze responsive a Stat3; tali elementi, sono stati ottenuti dal promotore del gene CRP di uomo, un noto bersaglio dell’attività trascrizionale di Stat3. La caratterizzazione del segnale fluorescente del pesce reporter ha dimostrato che la proteina Stat3 manifesta effetto materno, essendo ereditata dallo zigote a partire dall’oocita della madre; inoltre, la via di segnale è attiva durante le prime fasi dello sviluppo di zebrafish, in particolare nel sistema nervoso (telencefalo, tetto ottico e cervello posteriore) dalle 20 ore dopo la fecondazione, e nell’intestino a partire dai 4 giorni fino all’età adulta. In entrambi questi tessuti il segnale reporter marca cellule proliferanti, che a seguito della somministrazione di inibitori chimici della via di segnale Stat3 riducono significativamente la loro attività mitotica, suggerendo che il processo di divisione cellulare dipende da Stat3 durante lo sviluppo di zebrafish. In particolare nell’epitelio intestinale delle larve, l’inibizione chimica della via di segnale Stat3 causa difetti nella formazione dei villi intestinali, rivelando che Stat3 è necessario per il corretto sviluppo dell’epitelio intestinale in zebrafish. Tale risultato è stato avvalorato a seguito della creazione di un mutante KO per il gene stat3, il quale ha confermato l’assoluta necessità della proteina Stat3 per la formazione della normale mucosa intestinale. Nell’intestino di zebrafish adulti l’attività della via di segnale Stat3 è limitata ad una ristretta popolazione di cellule staminali adulte localizzate alla base della cripta, che proliferano attivamente per garantire il ricambio cellulare tipico di questo tessuto. Inoltre, nello zebrafish modello per il tumore colon-rettale umano, caratterizzato da una mutazione al gene apc, l’attività della via di segnale Stat3 riportata dal pesce reporter è significativamente maggiore nei polipi adenomatosi, dove verosimilmente è attiva nelle cellule staminali tumorali iniziatrici del cancro; tali risultati suggeriscono per Stat3 un ruolo come marcatore di staminalità in zebrafish. Secondo alcune recenti pubblicazioni basate su dati ottenuti in vitro, una quantità limitata di proteina STAT3 è stata localizzata nel mitocondrio, dove agisce come fattore trascrizionale mitocondriale, inducendo la proliferazione e mantenendo la pluripotenza delle cellule staminali embrionali di topo. In questo lavoro vengono presentati dati ottenuti in vivo, a dimostrazione che mitoStat3 regola positivamente il processo proliferativo attraverso l’espressione di geni mitocondriali; si è inoltre dimostrato che l’attività trascrizionale di mitoStat3 dipende dalla fosforilazione ad entrambi gli amminoacidi Y705 e S727. Nel suo complesso il nostro lavoro dimostra che il fattore trascrizionale Stat3 è in grado di regolare la proliferazione nelle cellule staminali attraverso l’espressione di geni mitocondriali in zebrafish.