Iluminare la risposta immunitaria al DNA aberrante

DNA- studio- immagine: Progettazione e convalida di un biosensore STING-IRF3. Credito: The EMBO Journal

Le nostre cellule ospitano un rilevatore di DNA denominato cGAS per informare il sistema immunitario di infezioni virali e batteriche, morte cellulare e trasformazione durante il cancro. I ricercatori guidati dal Professor Sergio P. Acebrón (Università dei Paesi Baschi e Università di Heidelberg) dell’Ikerbasque Research hanno bioingegnerizzato questo processo cellulare conservato in un nuovo biosensore fluorescente.

Lo studio, pubblicato su The EMBO Journal, fornisce uno strumento biomedico multiuso per visualizzare la risposta immunitaria innata al DNA aberrante nelle popolazioni cellulari.

Ognuna delle nostre cellule immagazzina le proprie informazioni genetiche nel nucleo (DNA genomico) e nei mitocondri (DNA mitocondriale). Un percorso molecolare conservato controllato dalle proteine cGAS, STING e IRF3 può rilevare il DNA al di fuori di questi compartimenti e segnalarlo alle cellule immunitarie vicine tramite messaggeri secondari, tra cui cGAMP e Interferone.

In quanto tale, questo sistema funziona come un coltellino svizzero contro la trasformazione e la morte cellulare, che spesso porta alla produzione di sottoprodotti del DNA ospite al di fuori del nucleo e/o dei mitocondri, nonché contro il DNA estraneo proveniente da infezioni virali e batteriche.

È interessante notare che la downregulation di questi processi è alla base dell’evasione immunitaria virale e cancerosa, mentre la loro upregulation aberrante è associata alle malattie autoimmuni. Tuttavia, la mancanza di reporter biologici per visualizzare questi processi cellulari ha ostacolato la ricerca nel campo.

Un ‘rilevatore’ cellulare chiave

Questo studio mostra come l’ingegnerizzazione dell’interazione funzionale di STING attivato e IRF3 può essere utilizzata per catturare le dinamiche spazio-temporali ed eterogenee della risposta al messaggero intracellulare ed extracellulare cGAMP. Questo nuovo biosensore fluorescente, insieme agli strumenti di analisi delle immagini, consente la visualizzazione delle risposte di singole cellule e popolazioni all’infezione da virus Herpes, al rilascio di DNA mitocondriale in seguito ad apoptosi e ad altre fonti di DNA aberrante.

Lo sviluppo del tumore è spesso associato a errori nella segregazione dei cromosomi che contengono il DNA genomico, che può finire fuori dal nucleo. Lo studio mostra che i cromosomi mis-segregati non attivano la risposta immunitaria innata tramite STING, probabilmente a causa del naturale impacchettamento del DNA genomico da parte degli istoni. Ciò è degno di nota, poiché diversi studi clinici speravano di utilizzare STING come bersaglio contro tumori cromosomicamente instabili.

Astratto

“Il pathway di segnalazione cGAS-STING ha un ruolo centrale nella risposta immunitaria innata alle fonti estrinseche e intrinseche di dsDNA citoplasmatico. Al centro di questo pathway c’è la produzione dipendente da cGAS del messaggero intra ed extracellulare cGAMP, che attiva STING e porta all’espressione di citochine e interferoni dipendente da IRF3. Nonostante la sua rilevanza per infezioni virali e batteriche, morte cellulare e instabilità del genoma, la mancanza di reporter specifici di cellule vive ha precluso analisi spaziotemporali della segnalazione cGAS-STING. Qui, generiamo un biosensore fluorescente denominato SIRF (STING-IRF3), che segnala l’interazione funzionale tra STING attivato e IRF3 al Golgi. Dimostriamo che le cellule che ospitano SIRF reagiscono in modo dipendente dal tempo e dalla concentrazione sia agli agonisti di STING che al cGAMP microambientale. Dimostriamo che il nuovo biosensore è adatto per la caratterizzazione a singola cellula delle risposte immunitarie all’infezione da HSV-1, al rilascio di mtDNA in seguito ad apoptosi o ad altre fonti di dsDNA citoplasmatico. Inoltre, i nostri risultati indicano che la segnalazione STING non è attivata da micronuclei rotti, il che suggerisce che altri recettori di riconoscimento di pattern citosolici sono alla base delle risposte dell’interferone all’instabilità cromosomica”.

Sinossi

Le analisi spaziotemporali dell’attivazione di STING nelle cellule viventi sono state finora ostacolate dalla carenza di biosensori adatti. Questo studio sviluppa il reporter fluorescente SIRF che cattura specificamente l’attivazione di STING in risposta a cGAMP, infezione virale o apoptosi.

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Il biosensore SIRF consente il monitoraggio dei livelli cellulari di cGAMP in base al tempo e alla concentrazione mediante semplici immagini di cellule vive e analisi downstream open source.

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SIRF è compatibile con la caratterizzazione delle singole cellule delle risposte alle infezioni virali, al rilascio di mtDNA durante l’apoptosi e ad altre fonti di dsDNA citoplasmatico.

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SIRF consente analisi spaziotemporali dei livelli di cGAMP nelle popolazioni cellulari.

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I micronuclei rotti non attivano la segnalazione STING.

Questo studio rappresenta un significativo progresso nello studio della risposta immunitaria innata, poiché fornisce alla comunità un metodo per visualizzarla in modelli biologici complessi.

Fonte:The EMBO Journal