Il corpo umano è costruito per sopravvivere. Ognuna delle sue cellule è strettamente sorvegliata da una serie di proteine ​​immunitarie armate di radar quasi infallibili che rilevano DNA estraneo o danneggiato.

Una delle sentinelle più critiche delle cellule è una proteina di "primo soccorritore" nota come cGAS, che rileva la presenza di DNA estraneo e canceroso e avvia una cascata di segnali che attiva le difese dell'organismo.

La scoperta del cGAS nel 2012 ha innescato una tempesta di ricerche scientifiche, risultando in più di 500 pubblicazioni di ricerca, ma la struttura e le caratteristiche chiave della forma umana della proteina continuavano a sfuggire agli scienziati.

Ora, scienziati della Harvard Medical School e del Dana-Farber Cancer Institute hanno, per la prima volta, ha identificato le differenze strutturali e funzionali nel cGAS umano che lo distinguono dal cGAS in altri mammiferi e sono alla base della sua funzione unica nelle persone.

Una relazione sul lavoro del team, pubblicato il 12 luglio in Cellula , delinea le caratteristiche strutturali della proteina che spiegano perché e come il cGAS umano rileva determinati tipi di DNA, ignorando gli altri.

"La struttura e il meccanismo d'azione del cGAS umano sono stati pezzi mancanti critici nell'immunologia e nella biologia del cancro, " ha detto l'investigatore senior Philip Kranzusch, assistente professore di microbiologia e immunobiologia presso la Harvard Medical School e il Dana-Farber Cancer Institute. "I nostri risultati che descrivono in dettaglio la composizione molecolare e la funzione del cGAS umano colmano questa lacuna critica nelle nostre conoscenze".

È importante sottolineare che i risultati possono informare la progettazione di farmaci a piccole molecole su misura per le caratteristiche strutturali uniche della proteina umana, un progresso che promette di aumentare i farmaci modulatori di cGAS di precisione che sono attualmente in fase di sviluppo come terapie contro il cancro.

"Diverse terapie immunitarie sperimentali promettenti attualmente in fase di sviluppo derivano dalla struttura del cGAS di topo, che ospita differenze strutturali chiave con cGAS umano, "Kranzusch ha detto. "La nostra scoperta dovrebbe aiutare a perfezionare queste terapie sperimentali e innescare la progettazione di nuove. Aprirà la strada alla progettazione guidata dalla struttura di farmaci che modulano l'attività di questa proteina fondamentale".

Le scoperte del team spiegano una caratteristica unica della proteina umana:la sua capacità di essere altamente selettiva nel rilevare determinati tipi di DNA e la sua propensione ad attivarsi con molta più parsimonia, rispetto alla proteina cGAS in altri animali.

Nello specifico, la ricerca mostra che il cGAS umano ospita mutazioni che lo rendono squisitamente sensibile a lunghe lunghezze di DNA ma lo rendono "cieco" o "insensibile" a brevi frammenti di DNA.

"Il cGAS umano è una proteina altamente discriminante che ha evoluto una maggiore specificità verso il DNA, " ha detto il co-primo autore Aaron Whiteley, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Microbiologia e Immunobiologia della Harvard Medical School. "I nostri esperimenti rivelano ciò che sta alla base di questa capacità".

In tutti i mammiferi, cGAS funziona rilevando il DNA che è nel posto sbagliato. In condizioni normali, Il DNA è strettamente impacchettato e protetto nel nucleo della cellula, il "sicuro" cellulare, dove sono conservate le informazioni genetiche. Il DNA non ha il diritto di vagare liberamente per la cellula. Quando i frammenti di DNA finiscono fuori dal nucleo e nel citosol della cellula, il liquido che racchiude gli organelli della cellula, di solito è un segno che qualcosa di minaccioso è in corso, come danni provenienti dall'interno della cellula o DNA estraneo da virus o batteri che si è fatto strada nella cellula.

La proteina cGAS funziona riconoscendo tale DNA fuori posto. Normalmente, giace dormiente nelle cellule. Ma non appena rileva la presenza di DNA al di fuori del nucleo, cGAS entra in azione. Produce un'altra sostanza chimica, un secondo messaggero, chiamato cGAMP, mettendo così in moto una reazione a catena molecolare che allerta la cellula della presenza anomala di DNA. Al termine di questa reazione di segnalazione, la cella viene riparata o, se danneggiato irreparabilmente, si autodistrugge.

Ma la salute e l'integrità della cellula si basano sulla capacità del cGAS di distinguere il DNA innocuo dal DNA estraneo o dall'auto-DNA rilasciato durante il danno cellulare e lo stress.

"È un sottile atto di bilanciamento che mantiene il sistema immunitario in equilibrio. Un cGAS iperattivo può innescare l'autoimmunità, o auto-attacco, mentre cGAS che non riesce a rilevare il DNA estraneo può portare alla crescita del tumore e allo sviluppo del cancro, " ha detto il co-primo autore Wen Zhou, un ricercatore post-dottorato presso la Harvard Medical School e il Dana-Farber Cancer Institute.

L'attuale studio rivela i cambiamenti evolutivi alla struttura della proteina che consentono al cGAS umano di ignorare alcuni incontri del DNA mentre risponde ad altri.

Per il loro lavoro, il team si è rivolto a un improbabile collaboratore:Vibrio cholerae, il batterio che causa il colera, uno dei più antichi flagelli dell'umanità.

Approfittando di un enzima del colera che condivide somiglianze con cGAS, gli scienziati sono stati in grado di ricreare la funzione del cGAS sia umano che di topo nel batterio.

Collaborando con i colleghi del laboratorio del batteriologo della Harvard Medical School John Mekalanos, gli scienziati hanno progettato una chimerica, o ibrido, forma di cGAS che includeva materiale genetico sia dalla forma umana che da quella murina della proteina. Quindi hanno confrontato la capacità del cGAS ibrido di riconoscere il DNA sia con il topo intatto che con la versione umana intatta della proteina.

In una serie di esperimenti, gli scienziati hanno osservato modelli di attivazione tra i diversi tipi di cGAS, restringendo progressivamente le differenze chiave che spiegavano l'attivazione differenziale del DNA tra i tre.

Gli esperimenti hanno rivelato che dei 116 amminoacidi che differiscono nel cGAS umano e del topo, solo due hanno rappresentato la funzione alterata del cGAS umano. Infatti, il cGAS umano era in grado di riconoscere il DNA lungo con grande precisione, ma ignorava i frammenti di DNA corti. La versione murina della proteina, al contrario, non ha differenziato tra frammenti di DNA lunghi e corti

"Questi due piccoli amminoacidi fanno un mondo di differenza, " Whiteley ha detto. "Permettono alla proteina umana di essere altamente selettiva e di rispondere solo al DNA lungo, ignorando il DNA corto, essenzialmente rendendo la proteina umana più tollerante alla presenza del DNA nel citosol della cellula".

Tracciando la divergenza genetica su una scala temporale evolutiva, gli scienziati hanno determinato che i geni cGAS dell'uomo e del topo si sono separati tra 10 e 15 milioni di anni fa.

I due amminoacidi responsabili del rilevamento del DNA lungo e della tolleranza del DNA corto si trovano esclusivamente negli esseri umani e nei primati non umani, come i gorilla, scimpanzé e bonobo.

Gli scienziati ipotizzano che la capacità di ignorare il DNA corto ma riconoscere il DNA lungo debba aver conferito alcuni benefici evolutivi.

"Potrebbe essere un modo per proteggersi da un sistema immunitario iperattivo e da un'infiammazione cronica, " ha detto Kranzusch. "Oppure potrebbe essere che il rischio di alcune malattie umane si abbassi non riconoscendo il DNA corto".

In una serie finale di esperimenti, il team ha determinato la struttura atomica del cGAS umano nella sua forma attiva mentre si lega al DNA.

Fare così, hanno usato una tecnica di visualizzazione nota come cristallografia a raggi X, che rivela l'architettura molecolare dei cristalli proteici basata su uno schema di fasci di raggi X sparsi.

Profiling the structure of cGAS "in action" revealed the precise molecular variations that allowed it to selectively bind to long DNA, while ignoring short DNA.

"Understanding what makes the structure and function of human cGAS different from those in other species was the missing piece, " Kranzusch said. "Now that we have it, we can really start designing drugs that work in humans, rather than mice."