Piegare una camicia con braccia di 12 piedi: comprendere il ripiegamento proteico nella malattia di Huntington

Immaginate una fabbrica di abbigliamento affollata. Le proteine sono come camicie appena cucite che escono dalle macchine. Sono flosce, stropicciate e possono creare un enorme disordine se lasciate non ripiegate. Normalmente, la fabbrica di abbigliamento cellulare impiega “proteine chaperon” che agiscono come stiratrici esperte. Afferrano ogni camicia, applicano energia da un ferro caldo e la ripiegano accuratamente nella forma giusta in modo che tutto rimanga ordinato e pulito.

Ma la malattia di Huntington (MH) crea abiti dalla forma anomala che possono disorientare i ripiegatori chaperon. Quando ciò accade, le proteine, come camicie irregolari, tendono a essere ripiegate in modo errato, si aggrovigliano e creano un enorme disordine. In un nuovo lavoro pubblicato su Nature Communications, un team di ricercatori ha approfondito come migliorare il processo di ripiegamento proteico nella MH ingegnerizzando chaperon ripiegatori aggiuntivi. Quindi, cosa hanno scoperto e cosa significa questo per la MH?

Piegare una camicia con braccia di 12 piedi

La MH è causata da un tratto espanso di lettere genetiche nel gene della huntingtina che produce una proteina extra-lunga, chiamata huntingtina espansa. Questa proteina extra-lunga crea aggregati dannosi che si formano all’interno delle cellule. Se la cellula è una fabbrica di abbigliamento affollata, l’huntingtina espansa è come una camicia con braccia di 12 piedi – difficile da ripiegare e conservare correttamente, causando un grande disordine.

Di solito, ci sono proteine ausiliarie, chiamate “chaperon”, che lavorano in tutta la cellula per assicurarsi che le altre proteine si ripieghino correttamente e impedire che si aggreghino. Tuttavia, in malattie come la MH, questo sistema di chaperon può essere sopraffatto. C’è semplicemente troppa huntingtina espansa perché possano gestirla.

PEX19: macchina ripiegatrice autonoma

I chaperon necessitano di un costante apporto di energia sotto forma di una molecola chiamata ATP, e di un team di altre proteine ausiliarie, per svolgere correttamente il loro lavoro. Dato che dipendono da questo sistema di supporto, rende i chaperon complicati da trasformare in farmaci – richiedono troppa energia e lavoro di squadra. È come cercare di usare un’intera fabbrica invece di una sola macchina per fare un lavoro. Questo studio si concentra su un tipo specifico di chaperon chiamato PEX19, che è unico perché funziona senza bisogno di energia (ATP) o di alcuna proteina ausiliaria.

PEX19 normalmente aiuta alcune proteine a raggiungere una parte della cellula chiamata perossisoma. I perossisomi sono piccole fabbriche di riciclo e disintossicazione all’interno delle cellule, che lavorano per scomporre i rifiuti e le sostanze nocive, come grassi e veleni, per mantenere la cellula sana convertendoli in acqua e ossigeno innocui. Poiché PEX19 funziona da solo e non richiede ATP, potrebbe potenzialmente essere sfruttato per affrontare la formazione di aggregati proteici senza la necessità di ingegnerizzare un trattamento che incorpori proteine partner.

Eliminare gli aggregati in diversi modelli di MH

L’obiettivo principale di questa ricerca era trovare un modo per prevenire l’aggregazione della proteina huntingtina mutante espansa che contribuisce all’insorgenza dei sintomi della MH. I ricercatori hanno pensato che, date le sue caratteristiche uniche, avrebbero potuto modificare PEX19 a livello molecolare per mirare e rimuovere gli aggregati dannosi di huntingtina. A tal fine, hanno prodotto diverse versioni modificate del chaperon PEX19 e hanno testato quale versione prevenisse la formazione di aggregati proteici in diversi organismi che modellano la MH.

Innanzitutto, hanno ingegnerizzato piccole cellule di lievito che producono la proteina huntingtina. Se non trattate, si formano aggregati proteici che rendono il lievito malato. I ricercatori hanno aggiunto alle cellule di lievito due versioni appositamente progettate di PEX19 e hanno osservato che questo trattamento impediva agli aggregati di huntingtina di far ammalare il lievito.

Successivamente, hanno aggiunto queste due versioni di PEX19 a cellule umane di MH coltivate in una piastra di laboratorio e hanno osservato che gli aggregati della proteina huntingtina si formavano molto più lentamente. Infine, hanno trattato moscerini della frutta con MH con la loro versione più efficace di PEX19 e hanno osservato che questi moscerini malati vivevano più a lungo e potevano arrampicarsi meglio, un’abilità che si deteriora nei moscerini con il gene per la MH. Pensano che ciò sia dovuto alla riduzione degli aggregati appiccicosi nei loro cervelli.

Fermare il disordine prima che inizi

Queste interessanti osservazioni suggeriscono che un chaperon indipendente dall’energia, PEX19, può essere ingegnerizzato per mirare e prevenire la formazione di aggregati della proteina huntingtina in lievito, cellule umane e cervelli di moscerini della frutta. Ciò suggerisce che le due versioni speciali di PEX19 potrebbero avere un potenziale terapeutico contro la MH negli esseri umani.

Oltre a questi punti chiave, i ricercatori hanno identificato il meccanismo specifico con cui queste due versioni di PEX19 inibiscono gli aggregati proteici, una intuizione cruciale per lo sviluppo di farmaci che imitano le azioni di PEX19. Il team ha osservato che le variazioni artificiali di PEX19 possono prevenire la formazione iniziale di aggregati proteici, ma non possono scomporre gli aggregati già formati, perché ciò richiede una notevole energia.

È la differenza tra ripiegare ordinatamente ogni camicia ingombrante e dalle maniche flosce subito dopo che è stata cucita, rispetto all’affrontare un’enorme e disordinata montagna di esse. Sebbene questa sia una limitazione di PEX19 ingegnerizzato, il fatto che il chaperon sia indipendente dall’energia e non richieda molte proteine ausiliarie lo rende comunque un candidato attraente per lo sviluppo terapeutico.

Ottimizzare il ripiegamento per una migliore adattabilità

Questa ricerca fornisce un contributo significativo introducendo una nuova strategia per lo sviluppo di terapie per la malattia di Huntington e potenzialmente per altri disturbi di aggregazione proteica. Dimostra la fattibilità di ingegnerizzare un chaperon ATP-indipendente per mirare e ridurre l’aggregazione di una proteina che causa la malattia. Questo approccio offre un’alternativa ai chaperon tradizionali che si basano su complessi macchinari cellulari ed energia, il che può limitare la loro efficacia nelle cellule malate.

Il lavoro futuro dovrebbe concentrarsi sull’ulteriore ottimizzazione delle varianti ingegnerizzate di PEX19 per migliorarne la specificità e la potenza, perfezionando l’architettura di PEX19 per legarsi meglio alla proteina huntingtina. Inoltre, testare queste varianti in modelli mammiferi più complessi e, infine, in studi clinici sarebbe cruciale per il loro sviluppo come agente terapeutico per la malattia di Huntington.

Riassunto

• L’aggregazione di una proteina huntingtina espansa all’interno delle cellule contribuisce alla malattia di Huntington (MH).
• I chaperon proteici tradizionali che potrebbero prevenire la formazione di aggregati proteici richiedono una notevole energia (ATP) e proteine ausiliarie, rendendoli inadatti come trattamenti semplici.
• Questo studio ha analizzato molte diverse versioni di PEX19, un chaperon unico che funziona in modo indipendente e non utilizza ATP, per la loro capacità di inibire la formazione di aggregati della proteina huntingtina in cellule umane e animali.
• Il team di ricerca ha identificato due versioni ingegnerizzate di PEX19 capaci di prevenire gli aggregati della proteina huntingtina in lievito, cellule umane e moscerini della frutta.
• Le varianti ingegnerizzate di PEX19 possono prevenire nuovi aggregati ma non sono in grado di scomporre quelli esistenti.
• I risultati offrono un approccio semplificato per potenziali terapie per la MH e potrebbero ispirare future ricerche sull’ottimizzazione di queste varianti e sul loro test in modelli mammiferi e studi clinici.

Scopri di piùArticolo di ricerca originale, “Engineering a membrane protein chaperone to ameliorate the proteotoxicity of mutant huntingtin” (accesso aperto).