Immagine: i potenti spettrometri NMR biomolecolari dell’Università dell’Arizona hanno permesso agli scienziati di ottenere dettagli molecolari sull’interazione tra RCAN1 e calcineurina, due proteine che sono state a lungo implicate nella sindrome di Down e nella malattia di Alzheimer. Credito: Università dell’Arizona.
Dal movimento di un dito alla creazione di un ricordo, le azioni del corpo umano richiedono un concerto armonioso di interazioni proteiche.
Un sistema di controlli ed equilibri assicura un adeguato coordinamento delle biomolecole. Scoprire come le proteine interagiscono tra loro in condizioni ideali è fondamentale per capire cosa non va negli stati di malattia come l’Alzheimer e la sindrome di Down ad esempio e per sviluppare nuove strategie di prevenzione e trattamento.
Wolfgang Peti, Professore all’Università dell’Arizona nel Dipartimento di Chimica e Biochimica, ha studiato l’interazione tra due proteine implicate nella sindrome di Down e nella malattia di Alzheimer da quasi 10 anni. Le limitazioni tecnologiche del passato hanno impedito ai ricercatori di determinare l’esatta relazione fisica tra le due proteine. Peti ha collaborato con Rebecca Page, Prof.ssa e capo ad interim di ricerca e affari di facoltà nel Dipartimento di Chimica e Biochimica, per affrontare la questione della ricerca attraverso un nuovo approccio.
“Abbiamo dovuto sviluppare una tecnologia ibrida che combini due potenti tecniche chimiche per essere in grado di ottenere le strutture di queste proteine che ci potrebbero aiutare a capire la loro interazione“, ha detto Peti.
Le scoperte dei ricercatori, pubblicate su Science Advances, forniscono una base per comprendere e trattare meglio diversi disturbi neurologici.
La calcineurina o CN, è un regolatore chiave di numerosi processi biologici, incluso lo sviluppo umano. L’inibizione eccessiva di questa proteina svolge un ruolo critico nel fenotipo della sindrome di Down, un disturbo genetico causato da un evento anormale durante lo sviluppo che si traduce in un cromosoma 21 in più.
È noto da quasi 20 anni che un’altra proteina, RCAN1, normalmente inibisce la CN per mantenere l’equilibrio nel corpo. Poiché RCAN1 è codificata da un gene sul cromosoma 21, i pazienti con sindrome di Down hanno livelli elevati di RCAN1 che disturbano l’equilibrio e portano a una sovra-inibizione della CN.
Secondo il National Institute on Aging, a molti individui con sindrome di Down viene diagnosticata la malattia di Alzheimer a esordio precoce all’età di 40 anni e uno studio pubblicato negli Archivi di Neurologia, ora JAMA Neurology, ha scoperto che quasi i tre quarti delle persone con sindrome di Down aveva sviluppato demenza all’età di 60 anni. RCAN1 è anche iperattivo in questa malattia neurodegenerativa.
I ricercatori sapevano che una relazione sbilanciata tra CN e RCAN1 ha profonde conseguenze sul cervello, ma in precedenza non era noto come RCAN1 interagisse intimamente e regolasse la CN. Poiché la struttura di una proteina determina la sua funzione, Peti doveva ottenere un “quadro molecolare” delle due proteine per comprendere il meccanismo con cui RCAN1 inibisce la CN.
Per raggiungere questo obiettivo, il team ha utilizzato due tecniche avanzate: cristallografia e spettroscopia di risonanza magnetica nucleare. Attraverso la cristallografia, le strutture delle proteine possono essere determinate studiando la disposizione fondamentale dei loro componenti più elementari – gli atomi – nei solidi cristallini. La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare è una tecnica spesso utilizzata per determinare il contenuto e la purezza di un campione, nonché una struttura molecolare.
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Altri gruppi avevano usato questi metodi singolarmente in passato, ma non avevano avuto successo nel determinare l’interazione poliedrica tra le due proteine perché i metodi da soli non fornivano la soluzione adeguata per farlo. Peti e Page hanno capito che le due tecniche dovevano essere combinate in una tecnologia ibrida per ottenere la struttura sfuggente e dettagliata.
“Non siamo il primo gruppo a studiare l’interazione strutturalmente”, ha detto Page. “Questa ricerca richiedeva davvero una combinazione di metodi per arrivare al nostro livello di comprensione di come funziona davvero l’interazione tra queste due proteine “.
Peti e Page, entrambi membri del BIO5 Institute dell’Università, danno gran parte del merito della ricerca all’assistente scienziato ricercatore Yang Li, che Page ha definito un “inestimabile motore” che ha reso possibile la scoperta.
“È stato davvero un tour-de-force. È stato necessario uno sforzo enorme per districare davvero il funzionamento di queste proteine“, ha affermato Page.
La nuova combinazione di tecniche chimiche avanzate richiedeva un sofisticato programma computazionale in grado di combinare dati complessi di entrambi i metodi in un’unica struttura coesiva. Ciò ha portato ad una collaborazione con Charles Schwieters al National Institutes of Health. Utilizzando il software Xplor-NIH di Schwieters, Peti e Page hanno unito i loro approcci in un’unica tecnologia ibrida che sarebbe stata in grado di determinare l’interazione precisa di RCAN1 e CN.
Il gruppo ha scoperto che RCAN1 inibisce la CN compromettendo la sua capacità di segnalare ad altre proteine e bloccando il sito attivo così come i siti di reclutamento del substrato della proteina. Inibendo l’attività della CN in due modi diversi, RCAN1 impedisce efficacemente alla CN di supportare il corretto sviluppo e la funzione cognitiva. Questa interazione aiuta anche a spiegare come l’iperattività di RCAN1 contribuisce alla sindrome di Down e alla malattia di Alzheimer.
Con queste nuove informazioni, i ricercatori potrebbero ora essere in grado di sviluppare farmaci mirati per interrompere l’interazione squilibrata tra RCAN1 e CN.
“Siamo fiduciosi che i risultati di questo studio porteranno a nuove terapie per trattare o prevenire completamente questi disturbi neurologici”, ha detto Peti.
Fonte: Science Advances
