Till Entropy Do Us Apart

"It appears that you are all amazed, maybe you did not expect this..." such is the comment of Göran Hansson, the secretary of the Nobel Committee for Medicine to the audience of speechless journalists. We are at the Karolinska Instutute in Stockholm just after the announcement of the 2013 Nobel Prize for Medicine to Randy Schekman, Jim Rothman and Thomas Sudhof for discovering the vesicular transport system of cells. 

Why the surprise? Well, because this year many predicted a Nobel to the fathers of Epigenetics, a recently discovered process that regulates expression of genes, on which many researchers hope to build the medicine of the future. 

But no, this year's Nobel goes to discoverers of the way cell membranes fuse, an affair of  lipids, fat in science lingo, and proteins. 

This is a great Nobel, a long-awaited and thrilling one, especially because it rewards the great merit of basic research, the one not necessarily pursued for medical purposes (I'm biased since my laboratory focuses on basic research of vesicular trafficking). 

Below I explain briefly the history not of the research that led to this recognition, but rather of fascinating biology that stems from these discoveries, and that few have told in these day of Nobel celebrations. 

We start with the most obvious fact, brought to light primarily by Sudhof and widely mentioned, that the vesicular transport and its fine regulation are at the heart of synaptic transmission, the process of communication between neurons in the brain of all organisms that have one (regardless of how they decide to use it). The perceptions of themselves, of others and of the environment in sentient beings, and by extension their reactions and emotions, travel through neurons in the form of electrical impulses. These pulses are, however, passed from one neuron to another, or from one neuron to a muscle, using events of fusion and internalization of vesicles highly regulated on the surface of neurons. So in the brain, if we want to use a metaphor, the music is electronic but part of the its execution is analog and based on vesicular transport. 

Another key role of vesicular transport in each cell - not only in neurons - is to allow the preparation and packaging, literally in the form of the folding, sugar-coating and greasing - according not to taste but rather to necessity - of proteins and other molecules produced within the cell. These are then shipped to various cell districts including the surface, the border beyond which is the mare magnum of the rest of the body. This has to do with vesicular transport because a very large number of proteins are associated with or are included in membranes, the leaflets of lipids that form vesicles. The production process is generally called secretion or exocytosis, and is coupled with the opposite process, endocytosis, namely the internalization, from the outside of the cell or from its surface, of molecules destined to various places within the cell, or to degradation in the lysosome, the cell recycle bin. In the lysosome you don’t recycle plastic, but rather membrane proteins (for the recycling of water-soluble proteins there is a shredder, the proteasome). Thus, the vesicular transport rule all the life, literally from birth to death, of the proteins that are inserted or attached to a cell membrane. 

Endocytosis and exocytosis are based on the continuous production, trafficking and fusion of vesicles between organelles such as the Golgi apparatus, the endosome, and lysosomes, veritable assembly, sorting and recycling stations of the cell. That’s way people  usually compare vesicular transport to the cell highway system. However, the very integrity of the vesicular organelles in a cell like ours depends largely on the proper functioning of vesicular transport, a bit as if the size of the service stations on the highway depended on how many vehicles are stopping there. The vesicles emerge through an elaborate system of folding and cleavage of the membrane, which involves several systems of proteins in different places in the cell that have nothing to envy to the most elaborate origami. Then the vesicles travel after being loaded on molecular motors that literally walk on networks of tracks that constitute the cellular skeleton, or cytoskeleton. Once at the arrival station, vesicles are incorporated to the organelles for which they are intended, using a set of SNARE proteins that in fact snare vesicles that need to fuse with the membrane of the target organelle. Final fusion require SNAP proteins that, well, snap the SNARE to allow close contact and membrane mixing. If we are not tired of metaphors we can think of a orbiter that must be lassoed and attached to a space station. Metaphors aside, fusion is a delicate and complicate affair. The vesicles and organelles have membranes made of fats and are in a water-based environments, such as the cytoplasm of the cell. Water and oil, as all know, don’t mix, thus SNARE proteins on vesicle membranes and organelle target are needed to bring fats close enough to fuse. A little bit as it happens when two drops of oil in water come close. 

Out of a set of thirty or so SNARE proteins in the cell only certain combinations of three-four of them allow fusion events. This is good because it allows Golgi vesicles that fuse with the cell membrane to be different from vesicles that go to the endosome. In essence, the system identifies incoming packets on the basis of the SNARE and allows to reach only the right destination. Your carkey not only opens the right car, but it also identifies the bearer as the one with legitimate access rights (the rightful owner, most of the time). The more we study the more we discover complications to this paradigm, which is what emerged from genetic and biochemical studies of Rothman and Schekman. 

The events of fusion between membranes are suitable for a multitude of very creative uses in specialized cells of our body. One of the most amazing happens in the T-killer lymphocytes. The T-killer, aptly named, are to all intents and purposes the natural born killers of our immune system. They scavenge cells to be eliminated because infected or malfunctioning. Wen they find one, they literally attach to part of it, forming a specialized type of synapse, the immunological synapse. In microscopy images, it looks like a kiss, the kiss of the death, one would say. In fact, after pointing their lysosomes towards the synapse - bang! - they fuse them with the surface of the membrane unloading their lethal content to the cell to be killed. Why lethal? Well because, lysosomes, as any good recycling station, are stuffed with very caustic substances to chop and break down fats and proteins, and in these cells they are further loaded to do damage. A chilling fate, akin to dissolving your enemy in acid after a kiss on the cheek, capisc? 

Let's move from the merciless individualism (for our own good) of T-killer, to the selfless altruism of the cells forming the tissues in our bodies. To make an organ in a fetus, and to make it work after birth, cells in tissues must adhere to each other, communicate and move. As in any caring community, they are commuting, hugging, chatting and kissing among millions of other cells, following a highly dynamic and precisely regulated choreography that intensely uses the vesicular transport system. In fact, inserted in membranes are the receptors for the signals that tell the cell how to behave. Associated to membranes are the transducers that amplify and pass messages arrived from the outside and going to the nucleus, where the DNA will interpret them, putting in place the corresponding genetic programs. The birth of signals, receptors and adhesion molecules is in the secretory pathway, and their death follows the endo-lysosomal route, both events inextricably linked to vesicular transport. Given that many cancers arise from abnormalities of signaling between cells, it is not surprising after all that many mutations in proteins that regulate vesicular traffic are found in tumors. What do you say to that, Epigenetics?!

These stories, I hope fascinating to you as they are to me, are the result of the passion for the science of many researchers like me, who have read the discoveries of Schekman, Sudhof and Rothman. The ones told briefly here only constitute an minimal window on the landscape of diversity that evolved from the conquest of vesicular transport by cell of our ancestors. The vesicular transport is an ancient invention, but a most important one to allow the transition from simple cells, such as bacteria, to complex cells, such as our owns. Like all others, it is the result of chance and selection, the two pillars of Darwinian evolution. Lucky us... in fact without vesicular transport, we would arguably be a sad broth of a hundred billion cells considering that multicellular organisms like not only us, but also other animals like your pet or your annoying little brother, and all plants have emerged only after vesicular transport and organelle compartmentalization evolved. 

Essentially, the Nobel Prize this year speaks to us of how beautiful is the complex life of our cells. A life in which water - that permeates us and allows the chemical reactions inside our body, and oil, the fat of which cell membranes are made, are kept separate using energy - in infinitely more elaborate ways than in simple cells of bacteria thanks precisely to vesicular transport - in an eternal dance that separates order and life, from entropy and death.


Note: This piece was written initially in Italian (see post below) in October 2013, shortly after the announcement of the Nobel prize for Medicine. I finally found some time to translate it into English (with some mods to spice it up). Hope the reader will enjoy and comment. 

Questo e' l'articolo che ho scritto a seguito del Nobel per la Medicina di quest'anno insignito a colleghi che lavorano nel mio campo.

Silenzio, va in scena la ricerca di base

10 ottobre, 2013

“Pare che siate tutti stupefatti, forse non ve lo aspettavate...” cosi’ commenta Göran Hansson, il segretario del comitato del Nobel per la Medicina alla platea ammutolita di giornalisti. Siamo al Karolinska Instutute a Stoccolma appena dopo l’annuncio del Nobel 2013 per la Medicina a Randy Schekman, Jim Rothman e Thomas Sudhof per la scoperta del sistema di trasporto vescicolare nelle cellule.

Perché lo stupore? Beh, perché tra vari pronostici si prevedeva un Nobel per i padri dell’epigenetica, uno dei processi che regolano l’espressione dei geni su cui molti ricercatori sperano di costruire la medicina del futuro.
E invece no, quest’anno il Nobel va agli scopritori dei processi di fusione tra membrane, un affare a base di grassi, in gergo lipidi, e di proteine.
Senza offesa per geni e DNA, che ovviamente anche di regolare la produzioni di lipidi e proteine si occupano, questo è un grande Nobel, a lungo atteso, che merita entusiasmo, soprattutto perché testimonia il grande valore della ricerca di base, non necessariamente fatta con fine medico (sono di parte dato che anche il mio laboratorio di occupa di ricerca di base appunto sul traffico vescicolare).
Qui di seguito spiego brevemente non la storia della ricerca che ha portato a questo riconoscimento, ma piuttosto un po’ della biologia affascinante che questo Nobel nasconde, e che pochi hanno raccontato in questi giorni.

Partiamo dal fatto più ovvio, portato alla luce principalmente da Sudhof e ampiamente ricordato, che il trasporto vescicolare e la sua fine regolazione sono il cuore della trasmissione sinaptica, il processo di comunicazione tra i neuroni nel cervello di tutti gli organismi che lo hanno (indipendentemente da come decidano di usarlo). Le percezioni di se’, degli altri e dell’ambiente negli esseri senzienti, e per esteso le loro reazioni ed emozioni, viaggiano attraverso i neuroni sotto forma di impulsi elettrici. Questi impulsi vengono però passati da un neurone all’altro, o da un neurone ad un muscolo, utilizzando eventi di fusione e internalizzazione di vescicole altamente regolati sulla superficie dei neuroni. Quindi nel cervello, se vogliamo usare una metafora, la musica è elettronica e parte dell’esecuzione è analogica e funziona a base di trasporto vescicolare.
Un altro ruolo chiave del trasporto vescicolare in ogni cellula - non solo nei neuroni - è di permettere l’impacchettamento, o anche più semplicemente la preparazione (letteralmente il ripiego, la zuccheratura e l’ingrassatura, secondo necessità), di proteine e altre molecole prodotte all’interno della cellula che devono venire spedite sulla superficie cellulare, o oltre confine, nel mare magno del resto dell’organismo. Questo succede perché molte proteine si associano o sono inserite nelle membrane, i foglietti di lipidi che formano le vescicole. Il processo di produzione è chiamato generalmente secrezione o esocitosi, e fa il paio con il processo opposto, l’endocitosi, ovvero l’introduzione dall’esterno della cellula, o dalla sua superficie, di molecole variamente impacchettate da recapitare in vari luoghi all’interno, come il nucleo, o il lisosoma, il cestino cellulare per la differenziata.
Nel lisosoma non ci va la plastica, ma piuttosto proteine di membrana da riciclare (per il riciclo delle proteine solubili in acqua c’è un altro cestino, il proteasoma). Quindi, il trasporto vescicolare regola tutta la vita, letteralmente dalla nascita alla morte, delle proteine che sono inserite o associate ad una membrana cellulare.

UN SISTEMA POSTALE PERFETTO

Endocitosi e esocitosi si basano sulla continua produzione, traffico e fusione di vescicole tra organelli come il Golgi, gli endosomi, e i lisosomi, vere e proprie stazioni di assemblaggio, smistamento e disasemblaggio della cellula. Per questo, in questi giorni si è parlato del trasporto vescicolare come autostrada nella cellula.
L’integrità stessa degli  organelli che fanno funzionare una cellula come le nostre dipende in larga parte dal corretto funzionamento del trasporto vescicolare, un po’ come se la dimensione delle stazioni di servizio dipendesse da quanti veicoli ci si fermino, per continuare con la metafora autostradale.
Le vescicole si originano grazie a un elaborato sistema di ripiegatura e scissione delle membrane, che coinvolge diversi sistemi di proteine in diversi luoghi nella cellula che non hanno niente da invidiare rispetto ai più fini origami. Poi le vescicole viaggiano in vari modi principalmente dopo essere caricati su motori molecolari che letteralmente camminano sulle reti di binari costituite dallo scheletro cellulare, o citoscheletro. Una volta alla stazione di arrivo, ovvero al momento di incorporare vescicole con gli organelli a cui sono destinate, si fa uso di un set di proteine SNARE (un acronimo, ma anche “laccio” in inglese) che allacciano le vescicole all’organello e, con l’aiuto di altre proteine con nomi egualmente evocativi come SNAP (in inglese “chiudersi a scatto”), permettono il contatto e la fusione della membrana della vescicola, cosi che diventi parte dell’organello di destinazione. Se siamo stufi di metafore autostradali possiamo pensare a un modulo sparato in orbita che deve essere agganciato alla stazione spaziale. Fuor di metafora, la fusione è un affare altrettanto complicato.
Le vescicole e gli organelli hanno membrane fatte di grassi e stanno in ambienti a base di acqua, come il citoplasma della cellula. Ad acqua e olio, come si sa, non piace mischiarsi, quindi le proteine SNARE sulle membrane delle vescicole e dell’organello di destinazione fanno si che questi si avvicinino abbastanza affinché la fusione avvenga. Un po’ come può succedere appunto a due gocce di olio in acqua. Con una trentina di proteine SNARE nella cellula, sappiamo che solo certe combinazioni di quattro di queste permetto eventi di fusione.
Questo è un bene perché così vescicole provenienti da Golgi che devono fondere con la membrana mantengono un set di SNARE diverse rispetto a vescicole che vanno verso l’endosoma, e a queste due destinazioni troveranno SNARE diverse. In sostanza, il sistema identifica i pacchetti in arrivo e permette di raggiungere solo la destinazione giusta, un po’ come la chiave giusta non solo apre solo la macchina giusta, ma ne identifica anche il proprietario (perlomeno il più delle volte). Più lo studiamo e più scopriamo complicazioni a questo paradigma, che è quello emerso dagli studi di genetica di Schekman e di biochimica di Rothman.

CARICA, MIRA. E SPARA

Gli eventi di fusione tra membrane si prestano a una moltitudine di usi molto creativi in cellule specializzate del nostro corpo. Uno tra i più stupefacenti avviene nei linfociti T-killer.
I T-killer, adeguatamente battezzati, sono a tutti gli effetti i sicari del nostro sistema immunitario. Puntano una cellula da eliminare perché infetta o mal funzionante. Lo fanno attaccandosi e formando un tipo specializzato di sinapsi, la sinapsi immunologica. Dopodiché puntano i loro lisosomi verso la sinapsi e... - bang! - ne fondono la membrana con la superficie scaricando il contenuto letale verso la cellula da eliminare.
Ora i lisosomi, da buon cestino, sono ripieni di sostanze per degradare grassi e proteine, e in queste cellule vengono ulteriormente caricati per fare danno. Più che riciclo, qui pare che si butti la pattumiera dalla finestra, ma almeno lo si fa per una buona ragione. Quindi, riassumendo, i T-killer fanno uso della fusione di membrane per sbarazzarsi del nemico. Passiamo per finire dall’individualismo a fin di bene dei T-killer, all’altruismo sfrenato delle cellule che formano i tessuti nei nostri organi. Per fare un organo durante lo sviluppo embrionale, e per farlo funzionare nell’adulto, queste cellule devono aderire tra loro, muoversi e comunicare tra loro. Sono baci, abbracci e chiacchiere tra milioni di cellule, che seguono una coreografia altamente dinamica e precisamente regolata e che utilizza intensamente il sistema di trasporto vescicolare. Inseriti nella membrana sono i recettori per i segnali che dicono alle cellule come comportarsi, e associati a membrane sono i trasduttori che amplificano e passano i messaggi arrivati dall’esterno, che vanno verso nucleo, dove il DNA li interpreterà, mettendo in atto i programmi generici corrispondenti. La nascita di segnali e recettori e molecole di adesione nella via secretoria, quanto la loro morte nella via endocitica, sono quindi indissolubilmente legati al trasporto vescicolare. Visto che molti dei tumori si originano da alterazioni dell’adesione o dei segnali tra le cellule, non è sorprendente che moltissime mutazioni in proteine che regolano il traffico vescicolare siano associate a tumori.

Queste storie, spero affascinanti, sono il frutto della passione per la scienza di tantissimi ricercatori che hanno letto delle scoperte di Schekman, Rothman e Sudhof.
Quelle che ho raccontato brevemente qui, non costituiscono che un’infinitesima finestrella sul panorama rappresentato dalla diversità che si evoluta a partire dalla conquista del trasporto vescicolare da parte della cellula. Il trasporto vescicolare è un’invenzione antica ma quella che forse più ha permesso il passaggio evolutivo da cellule semplici, come quelle dei batteri, a cellule complesse, come quelle nostre e di animali e piante, fortemente  caratterizzate da una varietà di traffici e di compartimenti interni (come lo sono il Golgi, gli endosomi, e il reticolo endoplasmatico, il mitocondrio e il cloroplasto). Tale invenzione, come tutte le altre è frutto del caso e della selezione a cui è soggetta l’acquisizione di tratti vantaggiosi, i due pilastri dell’evoluzione. Senza trasporto vescicolare, non saremmo che una triste brodaglia di un centinaio di miliardi di cellule senza arte ne' parte, visto che gli organismi multicellulari come noi hanno preso piede solo dopo averlo evoluto.
Essenzialmente il Nobel di quest'anno ci parla di quanto è bella la vita complessa delle nostre cellule. Quella per cui' l’acqua - che ci permea e permette le reazioni chimiche all'interno del nostro corpo - e l’olio - i grassi di cui sono fatte le membrane cellulari - vengano mantenuti separati usando energia, in modo infinitamente più elaborato che nelle cellule semplici dei batteri, grazie appunto al trasporto vescicolare, in un'eterna danza che separa l'ordine - e la vita - dall'entropia - e la morte. 

Questo e' il primo che ho scritto per Scienzainrete con Giovanni Boniolo.
http://www.scienzainrete.it/contenuto/articolo/lomicidio-della-scienza-e-suicidio-degli-scienziati-0

Una versione sintetica e' stata pubblicata come  correspondence da Nature (in English)
http://www.nature.com/nature/journal/v488/n7410/full/488157d.html

I miei articoli di divulgazione scientifica/My science divulgation writings (in Italian).

Long time no see you. :-)

Riparto con il link agli articoli di divulgazione scientifica che ho scritto per scienza in rete (http://www.scienzainrete.it @scinet_it). Chi e' interessato li trova qui:
http://www.scienzainrete.it/documenti/autori/thomas-vaccari-0

Alitalia time sink - senza parole

sanita'

Da utilizzatore di ritorno dopo 10 anni all'estero, pongo con candore e per ignoranza 5 domande sulla organizzazione della sanita':

1-Come scelgo un medico di base? dove trovo liste di medici con una minima informazione di quali ricevano per appuntamento, o parlino un'altra lingua o di quanto siano validi? o altre info utili a fare una scelta? non ho trovato nulla neanche online...

2- come evito di perdere mezza giornata di lavoro in attesa di una visita? Ho scoperto con orrore che come 10 anni fa la stragrande maggioranza dei servizi medici di base e ospedalieri (pur in una citta' come milano) sembrano ancora non riuscire a organizzarsi il lavoro su appuntamento? Il bigliettino col numero va bene al mercato del pesce ma ancora non se uno ha 1 ora di tempo per una visita.

3- Come evito di pagare un medico privato in casi di lunghe attese per alcune analisi?

4- Cosa faccio colla carta dei servizi della regione (arrivata con 4 pagine di pubblicita' ai servizi  online) se per usarla online scopro che e' necessario nell'ordine: richiedere il PIN, scaricare il software e comprare un lettore di smart card?

5- perche' per ritirare i risultati di alcune analisi delle volte tocca andare di persona? posta? internet?

Mi piacerebbe che qualcuno di voi suggerisse qualche risposta.

brr

commento di babyO: Papa' cos'è tutta qusta sabbia?


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Milan l'e gran Milan

povero berlusca. propongo qualche riflessione ironica sull'accaduto ad uso della vittima se mai dovesse leggermi.

1- siamo sicuri che la statuetta sia stata proprio lanciata? del resto contutto quel magnetismo che lei ingenera e' un po soggetto ad attrarre materiali ferrosi: treppiedi, statuette del dom.... meno male che ha divorziato se no sa che casino coi ferri da stiro in casa....

2- o mia bela madunina remix (rubata a mb): o miaa bela madunina che colpisci del luntaan - tuta rosssa e picinina ti te sanguinet Milan - Sota ti se perd la vita - se sta mai cui man in man (profetico ndr). disen tan luntan de Napoli se mor ma poi chi a Milan l'e istess!

3- si consoli presidente, in america di solito a presidenti sparano e li centrano! (rubata a dt).

4- anche in questo gli italiani si rivelano scarsi. E' come se a Dallas avessero attentato a JFK a colpi di beef jerky....

to be continued...



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After the transition....

....I am now ready to start posting again. Just came over the denial of having left beautiful Berkeley, CA. Will try to analyze Italian life with "american" eyes. Pledging to not complain too much and to keep it fun. Restaring from flies (which represent continuity with the past) and Leonardo (because I am now in Milan) as in the vitruvian fly designed by my friend JJ Hill.

vista dal telefono stamattina!

view from my iPhone this morning

smack

highligth of the day!