I ricercatori che lavorano per comprendere la biochimica della formazione della cataratta hanno fatto una scoperta sorprendente:una proteina che a lungo si credeva inerte ha in realtà un'importante funzione chimica che protegge il cristallino dell'occhio dalla formazione della cataratta.

Il cristallino è costituito da cellule ricche di proteine ​​strutturali chiamate cristalline. Le cristalline all'interno di ciascuna cellula del cristallino formano un gel denso di proteine, e le proprietà ottiche del gel, come la sua trasparenza e il modo in cui rifrange la luce, aiutano a focalizzare la luce sulla retina.

Ma quando le proteine ​​cristalline si aggregano, non sono più così trasparenti. Se una quantità sufficiente di proteine ​​passa dal loro solito solubile in acqua, organizzazione densa ad aggregati agglomerati, iniziano a disperdere la luce in arrivo, formando depositi torbidi noti come cataratta.

Secondo il borsista post-dottorato di Harvard Eugene Serebryany, autore principale di un recente studio in Journal of Biological Chemistry , per lungo tempo i ricercatori hanno creduto che le proteine ​​cristalline fossero chimicamente inerti. Questo è, fatta eccezione per l'aggregazione come età individuale, non si credeva che le proteine ​​interagissero molto con altre proteine. Serebryany ha detto, "Questo era il modello:la vera funzione (di Crystallin) è di rimanere monomerica e trasparente ed evitare l'aggregazione il più a lungo possibile".

Ai tempi in cui era uno studente laureato al MIT, Serebryany ha usato una forma mutante della proteina del cristallino gamma-cristallina per imitare il danno UV alla proteina. Studiando come quella mutazione porta la cristallina ad aggregarsi in grumi, Serebryany ha scoperto qualcosa di sorprendente:il mutante aveva maggiori probabilità di aggregarsi se di tipo selvatico, o non danneggiato, era presente anche la proteina.

Il professore di Harvard Eugene Shakhnovich, che ha collaborato con Serebryany e il suo consigliere laureato, Jonathan King, sugli studi precedenti, ha descritto la scoperta come "un fenomeno abbastanza sorprendente" e ha spiegato:"Se avessi queste proteine ​​danneggiate in una provetta, non si sarebbero aggregati per un po'. Se avessi la proteina wild-type, non si aggregherebbe per sempre. Ma allora, quando mescoli i due, vedi un'aggregazione rapida e precipitosa."

In altre parole, la versione sana di una proteina che tutti pensavano fosse inerte stava in qualche modo causando un peggioramento molto rapido di una versione leggermente danneggiata.

Quando Serebryany si laureò, Shakhnovich lo assunse per continuare a lavorare per capire come una proteina apparentemente inattiva potesse causare questo effetto. Serebryany ha detto, "La prima cosa che dovevo fare era fondamentalmente cercare di far funzionare gli esperimenti del mio laboratorio di dottorato in questo (nuovo) laboratorio".

"Sono solo due fermate di distanza in metropolitana!" Shakhnovich ha scherzato.

Ma, per qualche ragione, Serebryany ha avuto problemi a replicare i risultati. "È un posto diverso, è un diverso insieme di strumenti, una serie di procedure leggermente diverse. Vedi dove sta andando, " ha detto. "Tutto ad un tratto, esperimenti che prima erano altamente riproducibili davano molta variabilità".

Infatti, nel laboratorio di Harvard a volte la cristallina wild-type faceva aggregare la cristallina mutante, e a volte no. Gli scienziati erano perplessi.

Serebryany ha detto, "Ovviamente, se c'è improvvisamente variabilità, c'è una variabile nascosta che non abbiamo visto prima." Ha organizzato una serie di esperimenti cercando di individuare quella variabile.

Un confronto ravvicinato tra i pesi molecolari della proteina wild-type che ha causato l'aggregazione del mutante e la proteina che non ha rivelato una differenza equivalente al peso di due atomi di idrogeno. Questo ha dato ai ricercatori un suggerimento che lo stato redox - se due atomi di zolfo all'interno di una molecola proteica erano legati l'uno all'altro invece che agli atomi di idrogeno - potrebbe fare la differenza.

"Eseguendo esperimenti di spettrometria di massa risolta isotopicamente, abbiamo ottenuto più di quanto ci aspettassimo, "Serebryany ha spiegato. "Non solo il mutante incline all'aggregazione ha acquisito un legame disolfuro interno per molecola durante la reazione di aggregazione, ma la proteina wild-type che promuove l'aggregazione ha perso il suo disolfuro allo stesso tempo".

Mutando i residui di amminoacidi cisteina contenenti zolfo uno per uno in residui non contenenti zolfo, Serebryany ha scoperto che due amminoacidi cisteinici vicini tra loro sulla superficie della gamma-d-cristallina hanno agito come una sorta di interruttore. Quando i due si legano, creando una struttura chiamata legame disolfuro, la cristallina sembrava essere in grado di spingere le altre molecole danneggiate verso l'aggregazione. Quando le due cisteine ​​non furono legate, ognuno invece ha assunto un atomo di idrogeno, spiegando il piccolo cambiamento di massa della proteina. In quella condizione, la cristallina di tipo selvatico era inerte.

Ma come potrebbe un legame tra amminoacidi sulla superficie di questa proteina farle aggregare altre proteine?

Utilizzando tecniche biofisiche e biochimiche, il team ha scoperto che sebbene il legame disolfuro si formi facilmente, introduce anche ceppo nella struttura della proteina. Ciò ha reso ogni molecola proteica probabile che passi lungo il legame disolfuro a una molecola vicina della proteina, ricevendo in cambio due protoni. In questo modo il legame disolfuro potrebbe essere costantemente fatto passare tra le molecole proteiche cristalline. Gli autori hanno paragonato il processo al passaggio di una patata bollente.

Data un'intera popolazione di sani, proteine ​​cristalline non danneggiate, questo processo potrebbe andare avanti all'infinito. Ma se una proteina era già un po' danneggiata, gli autori hanno mostrato, ha catturato la patata bollente con un diverso insieme di cisteine, che erano meno in grado di trasmetterlo. Questo ha portato la proteina danneggiata a raggrupparsi. Il lavoro precedente degli autori ha rivelato che le mutazioni che mimano il danno causato dai raggi UV hanno modificato la stabilità della proteina, rendendolo più floscio, e quindi più probabilità di acquisire la conformazione che espone nuove cisteine ​​che potrebbero catturare la patata bollente.

Questo ci aiuta a capire la formazione della cataratta. Secondo Shakhnovich, il team sta lavorando a trattamenti peptidici che potrebbero impedire alla "patata bollente" di raggiungere le proteine ​​danneggiate. Serebryany spera che tali peptidi "potrebbero effettivamente assorbire alcuni di quei disolfuri e ritardare il tempo necessario per formare le specie più inclini all'aggregazione". Ciò potrebbe portare a una formazione di cataratta più lenta per i pazienti.