Rappresentazione del chimico proteico della regione sensibile al calcio in due varianti proteiche STIM1 ingegnerizzate. I siti che sono stati modificati sono evidenziati in ogni caso come sfere rosse. Il comportamento di queste due proteine ingegnerizzate ha fornito informazioni chiave su come STIM1 rileva i cambiamenti nei livelli di calcio Credito:Dr. Patrick Hogan, Istituto di immunologia La Jolla
Tutte le cellule dei mammiferi hanno bisogno di una pronta fornitura di ioni calcio per eseguire funzioni diverse come la neurotrasmissione, contrazione muscolare, rilascio di ormoni, o risposte immunitarie. Questo requisito è così fondamentale che le cellule si proteggono dai disastri immagazzinando il calcio in una rete di cisterne intracellulari chiamata reticolo endoplasmatico, o ER. Quindi, poiché le cellule perdono calcio come parte della loro routine quotidiana, i canali si aprono nella membrana cellulare consentendo all'afflusso di calcio dall'esterno di riempire nuovamente le riserve del RE e mantenere le funzioni cellulari guidate dal calcio.
Due studi recentemente pubblicati da Patrick Hogan, investigatori del La Jolla Institute for Immunology (LJI), dottorato di ricerca, e Aparna Gudlur, Ph.D.—un documento apparso all'inizio di quest'anno in Rapporti di cella e l'altro nel 31 ottobre, 2018, problema di Comunicazioni sulla natura —riferire come una proteina sensibile al calcio chiamata STIM1 segnala che è ora di iniziare il recupero del calcio e poi trasmette quel messaggio al suo partner, il canale del calcio ORAI. Questo corpo di lavoro pone le basi per nuovi modi per manipolare la segnalazione aberrante del calcio nel sistema immunitario, in particolare nel contesto di malattie autoimmuni o infiammatorie.
"Sappiamo da un decennio che la proteina STIM1 si è spostata verso la membrana plasmatica per aprire i canali ORAI quando i livelli di calcio ER diminuiscono, "dice Hogan, un professore nella Divisione di Segnalazione ed Espressione Genica. "Il nostro lavoro recente mostra come funziona il macchinario STIM a livello molecolare. Comprendere questi meccanismi è fondamentale, poiché il calcio è importante per una serie di risposte immunitarie".
Il Rapporti di cella la carta rivela come la proteina STIM1 si allunga quando passa da uno stato di riposo a uno stato attivato quando le riserve di calcio diminuiscono. STIM1 è una proteina transmembrana che attraversa la parete del pronto soccorso:un'estremità colpisce una coda simile a un'asta di livello sensibile al calcio all'interno della riserva; in un riposo, stato di calcio pieno, l'altro braccio sporge dal pronto soccorso ma rimane appoggiato alla parete del pronto soccorso, fuori contatto con i canali ORA1 dormienti che punteggiano la membrana cellulare.
Il gruppo ha definito cosa succede quando i livelli di calcio diminuiscono costruendo e testando il comportamento delle proteine STIM1 geneticamente modificate nelle cellule in coltura. L'analisi ha mostrato che la perdita di calcio dalla coda del sensore ha causato l'unione delle regioni che attraversano la membrana di coppie di proteine STIM1 all'interno della parete del RE, spingendo i bracci esterni ad estendersi verso la membrana cellulare. Quel cambiamento di forma ha portato STIM1 abbastanza vicino ai canali ORAI da raggiungere e aprirli, permettendo al calcio di rifluire nelle cellule.
Immagini al microscopio della proteina regolatoria STIM1 - etichettata geneticamente con un tag fluorescente verde - nella stessa cellula prima della stimolazione (pannello di sinistra) e dopo la stimolazione (pannello di destra). STIM1 rilocalizza, quando la cellula è stimolata, a siti dove può gate il canale del calcio ORAI1. Il meccanismo che avvia questo movimento STIM1 è stato al centro dei due studi. Credito:Dott. Aparna Gudlur, Istituto di immunologia La Jolla
"Il primo documento ha mostrato come STIM1 comunica con una proteina canale nella membrana plasmatica attraverso un cambiamento strutturale, " dice Hogan. "Il nostro ultimo documento porta questo processo un passo indietro nel tempo e rivela come la perdita di calcio all'interno del pronto soccorso avvii quel cambiamento".
In poche parole, il documento più recente si concentra sul funzionamento dell'astina di rilevamento del calcio di STIM1. In precedenza, i chimici delle proteine hanno scoperto che il calcio all'interno dell'ER si lega a un motivo strutturale nella coda STIM1 chiamato "mano EF" e hanno proposto che quando la mano era vuota, STIM1 attivato ORAI. Gudlur, un istruttore nel laboratorio Hogan e primo autore del nuovo articolo, spiega che non è così semplice. "Ora segnaliamo che più calcio si legano non solo alla mano EF ma ad altri siti nel dominio STIM1 ER, e che i siti dipendono l'uno dall'altro, " dice. "Questo rivede il concetto di come STIM1 viene attivato."
Non solo quello, ma secondo Hogan la convinzione prevalente era che la dissociazione del calcio provocasse lo sviluppo drammatico della regione simile a un'asta di livello di STIM1 all'interno del pronto soccorso e assumesse una struttura caotica, un disordine ritenuto necessario per l'attivazione dell'ORAI. "Ora dimostriamo che quando il calcio è basso nel pronto soccorso questa regione non si dispiega ma acquisisce invece una struttura nuova ma stabile che favorisce l'interazione con il canale ORAI, " dice. "Questo è importante perché significa che l'interazione potrebbe essere presa di mira dagli inibitori".
Infatti, le aziende farmaceutiche hanno già cercato di sviluppare farmaci per bloccare i canali del calcio ORAI come mezzo per fermare le risposte immunitarie calcio-dipendenti nelle malattie autoimmuni o in condizioni infiammatorie come la pancreatite acuta. Alcuni farmaci che bloccano l'ORAI sono attualmente in sperimentazione clinica di Fase I e II e finora sembrano non tossici. Ma il loro potenziale terapeutico rimane sconosciuto.
Gudlur, che ha avuto un ruolo di primo piano in entrambi gli studi, ipotizza che lo sviluppo di bloccanti ORAI/STIM1 diretti come terapie possa essere solo un primo passo, poiché entrambe le proteine sono comuni a molti tipi di cellule. "Prendere di mira i canali ORAI come un modo per bloccare la segnalazione di calcio in eccesso solo in alcune cellule può richiedere una maggiore specificità, " dice. "Il nostro lavoro è un primo passo nell'identificazione di fattori cellulari specifici in grado di modulare l'attività di ORAI/STIM1. Una volta che li troviamo, sarebbero necessari screening dei farmaci mirati a questi fattori".
Hogan è d'accordo sul fatto che la scoperta di farmaci sia costruita su una base di esplorazione. "Le persone che conducono ricerche di base devono esaminare i processi cellulari fondamentali, " lui dice, osservando che sono trascorsi più di 20 anni tra la scoperta della proteina del checkpoint immunitario CTLA4 e l'approvazione della FDA del blocco del checkpoint immunitario come trattamento per il melanoma. (Nota:quattro giorni dopo questa intervista gli "scopritori" nominati da Hogan sono stati insigniti del Premio Nobel 2018 per la Fisiologia e la Medicina). "Se non armeggi con le basi di una cellula non farai mai un salto in avanti. Non sempre sappiamo da dove verranno le terapie".
