Fibrosi cistica-Immagine Credit Public Domain-
Gli scienziati del St. Jude Children’s Research Hospital e della Rockefeller University hanno unito le loro competenze per ottenere una migliore comprensione del regolatore della conduttanza transmembrana della fibrosi cistica (CFTR). Le mutazioni nel CFTR causano la fibrosi cistica, una malattia senza cura.
Le attuali terapie che utilizzano un farmaco chiamato potenziatore possono migliorare le funzioni del CFTR in alcuni pazienti; ma come funzionano i potenziatori non è ben compreso. Le nuove scoperte rivelano come il CFTR funzioni meccanicamente e come le mutazioni e i potenziatori della malattia influenzino tali funzioni. Con queste informazioni, i ricercatori potrebbero essere in grado di progettare terapie più efficaci per la fibrosi cistica.
Lo studio è stato pubblicato oggi su Nature.
La fibrosi cistica è una malattia genetica che induce a produrre muco troppo denso e appiccicoso. Questo può bloccare le vie respiratorie e causare danni ai polmoni, oltre a causare problemi di digestione. La malattia colpisce circa 35.000 persone negli Stati Uniti. CFTR è un canale anionico, un passaggio che mantiene il giusto equilibrio di sali e fluidi attraverso le membrane epiteliali e di altro tipo. Le mutazioni nel CFTR sono ciò che causa la fibrosi cistica, ma queste mutazioni possono influenzare la funzione del CFTR in modo diverso. Pertanto, alcuni farmaci usati per trattare la malattia possono ripristinare solo parzialmente la funzione di specifiche forme mutanti di CFTR.
Le strutture di CFTR, precedentemente acquisite nel laboratorio di Jue Chen, Ph.D. e colleghi della Rockefeller University, hanno rivelato due distinte conformazioni (forme). Quelle immagini statiche hanno permesso ai ricercatori di vedere il canale quando è aperto o quando è chiuso, ma la transizione tra gli stati è stata compresa in modo incompleto.
I cambiamenti conformazionali sono stati quindi dedotti importanti per l’apertura e la chiusura del canale, tenendo conto delle proprietà elettrofisiologiche del CFTR, che sono state analizzate per decenni. Queste scoperte hanno alimentato l’interesse nella visualizzazione diretta delle transizioni strutturali del CFTR in tempo reale e nell’esame di come i cambiamenti conformazionali sono influenzati dalle mutazioni della malattia e dai farmaci usati per migliorare la funzione del CFTR nei pazienti.
“Attraverso questa collaborazione, abbiamo avuto l’opportunità di entrare davvero nella relazione tra struttura e funzione“, ha affermato l’autore corrispondente Scott Blanchard, Ph.D., Dipartimento di biologia strutturale del St. Jude. “Il precedente lavoro del nostro laboratorio sui ribosomi e sui recettori accoppiati alla proteina G aveva dimostrato che ciò è possibile, ma ci sono pochissime singole proteine che sono più rilevanti per il trattamento della malattia rispetto al CFTR perché i trattamenti per la fibrosi cistica mirano a migliorare i difetti nel forme mutanti di questa proteina”. “La capacità di effettuare misurazioni biofisiche e ottenere questi tipi di intuizioni quantitative è uno dei progressi dell’imaging a singola molecola che non smette mai di stupirmi”.
La collaborazione porta a una svolta
L’esperienza complementare dei gruppi di ricerca è stata la chiave di queste scoperte. Attraverso l’elettrofisiologia e gli studi strutturali, il team di Rockefeller è stato in grado di guidare il posizionamento delle sonde a singola molecola da parte del team di St. Jude. Utilizzando il trasferimento di energia per risonanza di fluorescenza a singola molecola (smFRET), il team di St. Jude è stato in grado di fornire nuove informazioni sui pezzi mobili del meccanismo di CFTR.
Attraverso l’integrazione di microscopia crioelettronica , elettrofisiologia e smFRET, il gruppo di ricerca è stato in grado di tracciare le connessioni necessarie per comprendere meglio come funziona CFTR.
“Nella nostra ricerca c’è il potenziale per aiutare i pazienti con fibrosi cistica imparando a conoscere la struttura e il comportamento del CFTR”, ha detto il primo autore Jesper Levring della Rockefeller University. “Osservando queste molecole una alla volta usando questi metodi – elettrofisiologia a canale singolo e smFRET – potremmo correlare la funzione del canale con i cambiamenti conformazionali e ricollegarla alla biologia strutturale sottostante”.
Ciò che i ricercatori hanno scoperto è che CFTR mostra un meccanismo di gating gerarchico. I due domini di legame nucleotidico del CFTR si dimerizzano (si combinano) prima dell’apertura del canale. I cambiamenti conformazionali all’interno del canale dimerizzato, correlati all’idrolisi dell’ATP (una reazione in cui viene rilasciata energia), regolano la conduttanza del cloruro.
Vedi anche:Fibrosi cistica: identificato possibile driver dell’infiammazione persistente
Il significato di questa intuizione meccanicistica è stato ulteriormente rivelato dalla scoperta che i farmaci potenziatori Ivacaftor e GLPG1837 migliorano l’attività del canale aumentando l’apertura dei pori mentre i domini di legame dei nucleotidi sono dimerizzati. Le mutazioni che causano la fibrosi cistica possono ridurre l’efficienza della dimerizzazione. Queste intuizioni saranno utili per informare la ricerca di terapie cliniche più efficaci.
“La cosa più soddisfacente di questo lavoro è che abbiamo risposto alla domanda su come funziona CFTR che è stata oggetto di dibattito nel settore per molti anni”, ha affermato Chen, che è co-autore corrispondente dello studio.
“Ogni singolo metodo ha dei limiti, quindi puoi avere buoni dati, ma non avere ancora le risposte. Combinando gli approcci, siamo arrivati a un meccanismo unificato che ci dà un’idea di come funziona questa molecola. Con questa comprensione possiamo quindi testare come le mutazioni o i farmaci influenzano la funzione, che è in definitiva il modo in cui arriveremo a terapie migliori “.
Fonte:Nature
