I recettori presenti sulla superficie cellulare si legano a ormoni, proteine ​​e altre molecole, aiutando le cellule a rispondere al loro ambiente. I chimici del MIT hanno ora scoperto come uno di questi recettori cambia la sua forma quando si lega al suo bersaglio e come quei cambiamenti innescano la crescita e la proliferazione delle cellule.

Questo recettore, noto come recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR), è sovraespresso in molti tipi di cancro ed è il bersaglio di numerosi farmaci antitumorali. Questi farmaci spesso funzionano bene all'inizio, ma i tumori possono diventare resistenti a loro. Comprendere meglio il meccanismo di questi recettori può aiutare i ricercatori a progettare farmaci in grado di eludere tale resistenza, afferma Gabriela Schlau-Cohen, professore associato di chimica al MIT.

"Pensare a meccanismi più generali per colpire l'EGFR è una nuova entusiasmante direzione e offre una nuova strada per pensare a possibili terapie che potrebbero non evolvere la resistenza così facilmente", afferma.

Schlau-Cohen e Bin Zhang, Professore Associato di Chimica per lo sviluppo professionale della Pfizer-Laubach, sono gli autori senior dello studio, che appare oggi in Nature Communications . Gli autori principali del documento sono la studentessa laureata del MIT Shwetha Srinivasan e l'ex post-dottorato del MIT Raju Regmi.

Recettori che cambiano forma

Il recettore EGF è uno dei tanti recettori che aiutano a controllare la crescita cellulare. Trovato sulla maggior parte dei tipi di cellule epiteliali dei mammiferi, che rivestono le superfici del corpo e gli organi, può rispondere a diversi tipi di fattori di crescita oltre all'EGF. Alcuni tipi di cancro, in particolare il cancro del polmone e il glioblastoma, sovraesprimono il recettore dell'EGF, che può portare a una crescita incontrollata.

Come la maggior parte dei recettori cellulari, l'EGFR attraversa la membrana cellulare. Una regione extracellulare del recettore interagisce con la sua molecola bersaglio (detta anche ligando); una sezione transmembrana è incorporata all'interno della membrana; e una sezione intracellulare interagisce con il macchinario cellulare che controlla i percorsi di crescita.

La porzione extracellulare del recettore è stata analizzata in dettaglio, ma le sezioni transmembrana e intracellulare sono state difficili da studiare perché sono più disordinate e non possono essere cristallizzate.

Circa cinque anni fa, Schlau-Cohen ha deciso di cercare di saperne di più su quelle strutture meno conosciute. Il suo team ha incorporato le proteine ​​in un tipo speciale di membrana autoassemblante chiamata nanodisc, che imita la membrana cellulare. Quindi, ha utilizzato la singola molecola FRET (trasferimento di energia di risonanza della fluorescenza) per studiare come cambia la conformazione del recettore quando si lega all'EGF.

FRET è comunemente usato per misurare piccole distanze tra due molecole fluorescenti. I ricercatori hanno etichettato la membrana del nanodisco e l'estremità della coda intracellulare della proteina con due diversi fluorofori, che hanno permesso loro di misurare la distanza tra la coda della proteina e la membrana cellulare, in una varietà di circostanze.

Con loro sorpresa, i ricercatori hanno scoperto che il legame dell'EGF ha portato a un cambiamento importante nella conformazione del recettore. La maggior parte dei modelli di segnalazione del recettore implica l'interazione di più eliche transmembrana per determinare cambiamenti conformazionali su larga scala, ma il recettore EGF, che ha solo un singolo segmento elicoidale all'interno della membrana, sembra subire tale cambiamento senza interagire con altre molecole recettoriali.

"L'idea di una singola alfa elica in grado di trasdurre un riarrangiamento conformazionale così ampio è stata davvero sorprendente per noi", afferma Schlau-Cohen.

Modellazione molecolare

Per saperne di più su come questo cambiamento di forma influenzerebbe la funzione del recettore, il laboratorio di Schlau-Cohen ha collaborato con Zhang, il cui laboratorio esegue simulazioni al computer delle interazioni molecolari. Questo tipo di modellazione, nota come dinamica molecolare, può modellare come un sistema molecolare cambia nel tempo.

La modellazione ha mostrato che quando il recettore si lega all'EGF, il segmento extracellulare del recettore si alza verticalmente e quando il recettore non è legato, giace piatto contro la membrana cellulare. Simile a una chiusura a cerniera, quando il recettore si appiattisce, inclina il segmento transmembrana e avvicina il segmento intracellulare alla membrana. Ciò impedisce alla regione intracellulare della proteina di interagire con i macchinari necessari per avviare la crescita cellulare. Il legame dell'EGF rende queste regioni più disponibili, contribuendo ad attivare le vie di segnalazione della crescita.

I ricercatori hanno anche utilizzato il loro modello per scoprire che gli amminoacidi caricati positivamente nel segmento intracellulare, vicino alla membrana cellulare, sono fondamentali per queste interazioni. Quando i ricercatori hanno mutato quegli amminoacidi, passando da carichi a neutri, il legame con il ligando non ha più attivato il recettore.

"C'è una buona coerenza che possiamo vedere tra la simulazione e l'esperimento", dice Zhang. "Con le simulazioni di dinamica molecolare, possiamo capire quali sono gli amminoacidi essenziali per l'accoppiamento e quantificare il ruolo dei diversi amminoacidi. Poi Gabriela ha mostrato che quelle previsioni si sono rivelate corrette."

I ricercatori hanno anche scoperto che il cetuximab, un farmaco che si lega al recettore dell'EGF, impedisce il verificarsi di questo cambiamento conformazionale. Cetuximab ha mostrato un certo successo nel trattamento di pazienti con cancro del colon-retto o della testa e del collo, ma i tumori possono diventare resistenti ad esso. Imparare di più sul meccanismo di risposta dell'EGFR a diversi ligandi potrebbe aiutare i ricercatori a progettare farmaci che potrebbero avere meno probabilità di causare resistenza, affermano i ricercatori.