Organizzazione strutturale della catena respiratoria mitocondriale

La catena respiratoria mitocondriale è principalmente costituita da proteine integrali della membrana interna, che hanno la capacità di accoppiare il flusso elettronico, dovuto alle reazioni redox che esse catalizzano, al trasporto di protoni dalla matrice del mitocondrio verso lo spazio intermembrana. Qui i protoni accumulati creano un gradiente elettrochimico utile per la sintesi di ATP ad opera dell’ATP sintasi. Nonostante i notevoli sviluppi della ricerca sulla struttura e sul meccanismo d’azione dei singoli enzimi della catena, la sua organizzazione sovramolecolare, e le implicazioni funzionali che ne derivano, rimangono ancora da chiarire in maniera completa. Da questa problematica trae scopo la presente tesi volta allo studio dell’organizzazione strutturale sovramolecolare della catena respiratoria mediante indagini sia cinetiche che strutturali. Il modello di catena respiratoria più accreditato fino a qualche anno fa si basava sulla teoria delle collisioni casuali (random collision model) che considera i complessi come unità disperse nel doppio strato lipidico, ma collegate funzionalmente tra loro da componenti a basso peso molecolare (Coenzima Q10 e citocromo c). Recenti studi favoriscono invece una organizzazione almeno in parte in stato solido, in cui gli enzimi respiratori si presentano sotto forma di supercomplessi (respirosoma) con indirizzamento diretto (channeling) degli elettroni tra tutti i costituenti, senza distinzione tra fissi e mobili. L’importanza della comprensione delle relazioni che si instaurano tra i complessi , deriva dal fatto che la catena respiratoria gioca un ruolo fondamentale nell’invecchiamento, e nello sviluppo di alcune malattie cronico degenerative attraverso la genesi di specie reattive dell’ossigeno (ROS). E’ noto, infatti, che i ROS aggrediscono, anche i complessi respiratori e che questi, danneggiati, producono più ROS per cui si instaura un circolo vizioso difficile da interrompere. La nostra ipotesi è che, oltre al danno a carico dei singoli complessi, esista una correlazione tra le modificazioni della struttura del supercomplesso, stress ossidativo e deficit energetico. Infatti, la dissociazione del supercomplesso può influenzare la stabilità del Complesso I ed avere ripercussioni sul trasferimento elettronico e protonico; per cui non si può escludere che ciò porti ad un’ulteriore produzione di specie reattive dell’ossigeno. I dati sperimentali prodotti a sostegno del modello del respirosoma si riferiscono principalmente a studi strutturali di elettroforesi su gel di poliacrilammide in condizioni non denaturanti (BN-PAGE) che, però, non danno alcuna informazione sulla funzionalità dei supercomplessi. Pertanto nel nostro laboratorio, abbiamo sviluppato una indagine di tipo cinetico, basata sull’analisi del controllo di flusso metabolico,in grado di distinguere, funzionalmente, tra supercomplessi e complessi respiratori separati. Ciò è possibile in quanto, secondo la teoria del controllo di flusso, in un percorso metabolico lineare composto da una serie di enzimi distinti e connessi da intermedi mobili, ciascun enzima esercita un controllo (percentuale) differente sull’intero flusso metabolico; tale controllo è definito dal coefficiente di controllo di flusso, e la somma di tutti i coefficienti è uguale a 1. In un supercomplesso, invece, gli enzimi sono organizzati come subunità di una entità singola. In questo modo, ognuno di essi controlla in maniera esclusiva l’intero flusso metabolico e mostra un coefficiente di controllo di flusso pari a 1 per cui la somma dei coefficienti di tutti gli elementi del supercomplesso sarà maggiore di 1. In questa tesi sono riportati i risultati dell’analisi cinetica condotta su mitocondri di fegato di ratto (RLM) sia disaccoppiati, che accoppiati in condizioni fosforilanti (stato 3) e non fosforilanti (stato 4). L’analisi ha evidenziato l’associazione preferenziale del Complesso I e Complesso III sia in mitocondri disaccoppiati che accoppiati in stato 3 di respirazione. Quest’ultimo risultato permette per la prima volta di affermare che il supercomplesso I+III è presente anche in mitocondri integri capaci della fosforilazione ossidativa e che il trasferimento elettronico tra i due complessi possa effettivamente realizzarsi anche in condizioni fisiologiche, attraverso un fenomeno di channeling del Coenzima Q10. Sugli stessi campioni è stata eseguita anche un analisi strutturale mediante gel-elettroforesi (2D BN/SDS-PAGE) ed immunoblotting che, oltre a supportare i dati cinetici sullo stato di aggregazione dei complessi respiratori, ci ha permesso di evidenziare il ruolo del citocromo c nel supercomplesso, in particolare per il Complesso IV e di avviare uno studio comparativo esteso ai mitocondri di cuore bovino (BHM), di tubero di patata (POM) e di S. cerevisiae.

Mitochondrial Genomics: structure, inheritance and phylogenetic utility of the Mitochondrial genome in Bivalvia and Insecta

This PhD Thesis is the result of my research activity in the last three years. My main research interest was centered on the evolution of mitochondrial genome (mtDNA), and on its usefulness as a phylogeographic and phylogenetic marker at different taxonomic levels in different taxa of Metazoa. From a methodological standpoint, my main effort was dedicated to the sequencing of complete mitochondrial genomes, and the approach to whole-genome sequencing was based on the application of Long-PCR and shotgun sequences. Moreover, this research project is a part of a bigger sequencing project of mtDNAs in many different Metazoans’ taxa, and I mostly dedicated myself to sequence and analyze mtDNAs in selected taxa of bivalves and hexapods (Insecta). Sequences of bivalve mtDNAs are particularly limited, and my study contributed to extend the sampling. Moreover, I used the bivalve Musculista senhousia as model taxon to investigate the molecular mechanisms and the evolutionary significance of their aberrant mode of mitochondrial inheritance (Doubly Uniparental Inheritance, see below). In Insects, I focused my attention on the Genus Bacillus (Insecta Phasmida). A detailed phylogenetic analysis was performed in order to assess phylogenetic relationships within the genus, and to investigate the placement of Phasmida in the phylogenetic tree of Insecta. The main goal of this part of my study was to add to the taxonomic coverage of sequenced mtDNAs in basal insects, which were only partially analyzed.

A Multilevel Model with Time Series Components for the Analysis of Tribal Art Prices

In the present work we perform an econometric analysis of the Tribal art market. To this aim, we use a unique and original database that includes information on Tribal art market auctions worldwide from 1998 to 2011. In Literature, art prices are modelled through the hedonic regression model, a classic fixed-effect model. The main drawback of the hedonic approach is the large number of parameters, since, in general, art data include many categorical variables. In this work, we propose a multilevel model for the analysis of Tribal art prices that takes into account the influence of time on artwork prices. In fact, it is natural to assume that time exerts an influence over the price dynamics in various ways. Nevertheless, since the set of objects change at every auction date, we do not have repeated measurements of the same items over time. Hence, the dataset does not constitute a proper panel; rather, it has a two-level structure in that items, level-1 units, are grouped in time points, level-2 units. The main theoretical contribution is the extension of classical multilevel models to cope with the case described above. In particular, we introduce a model with time dependent random effects at the second level. We propose a novel specification of the model, derive the maximum likelihood estimators and implement them through the E-M algorithm. We test the finite sample properties of the estimators and the validity of the own-written R-code by means of a simulation study. Finally, we show that the new model improves considerably the fit of the Tribal art data with respect to both the hedonic regression model and the classic multilevel model.