Functional characterization of a cytosolic malic enzyme crucial for pyridine nucleotide homeostasis, redox balance, and virulence in Leishmania major

Immaginate un mondo microscopico all'interno del vostro corpo dove piccoli invasori unicellulari stanno cercando di stabilire un campo base. Questi invasori si chiamano Leishmania e sono i colpevoli di una malattia chiamata leishmaniosi. Per sopravvivere, questi parassiti devono essere chimici incredibilmente astuti. Vivono in due quartieri molto diversi: prima nell'intestino di una sandfly (moscerino della sabbia) e, successivamente, in profondità nelle cellule dei mammiferi (come voi o io). All'interno delle vostre cellule, l'ambiente è acido, affollato e pieno di "armi chimiche" (stress ossidativo) che il vostro sistema immunitario scaglia per uccidere gli invasori.

Per difendersi, i parassiti hanno bisogno di un costante approvvigionamento di energia e di un modo per neutralizzare quelle armi chimiche. È qui che entra in gioco un gruppo speciale di molecole chiamate "nucleotidi piridinici". Pensate a queste come ai pacchetti batteria e agli estintori combinati. Alcune versioni di queste batterie (NADPH) aiutano a costruire nuove parti, mentre altre (NAD+) tengono in funzione il motore. Se il parassita esaurisce queste batterie o se i suoi estintori falliscono, viene sopraffatto e muore. Gli scienziati sanno da tempo che i parassiti utilizzano un tipo specifico di enzima, chiamato "enzima malico", per aiutare a gestire queste batterie. Tuttavia, finora, conoscevamo solo una versione di questo enzima in Leishmania, e pensavamo che vivesse nella centrale elettrica del parassita (i mitocondri). La grande domanda è: il parassita ha un piano di riserva segreto, o un secondo strumento nascosto da qualche altra parte nel suo corpo per mantenere cariche le sue batterie?

Questo articolo racconta la storia di scienziati che hanno scoperto questo piano di riserva segreto. Hanno scoperto una seconda versione dell'enzima malico, che hanno chiamato LmME2, e si scopre che si nasconde nel salotto principale della cellula (il citosol), non nella centrale elettrica. Ecco cosa hanno scoperto:

La scoperta della spia citoplasmatica
I ricercatori hanno iniziato guardando il manuale di istruzioni del parassita (il suo genoma) e si sono resi conto che c'erano in realtà due geni per questo enzima, non uno solo. Hanno confermato che il secondo gene, LmME2, è effettivamente attivo in entrambe le fasi della vita del parassita. Usando un sistema di marcatura ingegnoso, hanno osservato il movimento dell'enzima e hanno visto che vive nel citosol, il fluido gelatinoso che riempie la cellula. Questo è stato una sorpresa perché l'altra versione, LmME1, vive nei mitocondri. È come scoprire che una casa ha due tipi diversi di elettricisti: uno che lavora nella sala generatori del seminterrato e un altro che lavora nel corridoio principale.

La strada a doppio senso
Quando gli scienziati hanno purificato l'enzima LmME2 e lo hanno testato in una capsula di Petri, hanno scoperto che era un lavoratore versatile. Poteva eseguire una reazione chimica in due direzioni: trasformare una molecola chiamata malato in piruvato (rilasciando energia), o trasformare il piruvato nuovamente in malato (immagazzinando energia). In una provetta, svolgeva entrambi i compiti a velocità simili. Tuttavia, quando hanno osservato l'enzima lavorare all'interno del vero parassita, sembrava preferire la trasformazione del piruvato in malato. Perché? Perché l'ambiente interno del parassita è pieno di altre sostanze chimiche che agiscono come vigili urbani. I ricercatori hanno scoperto che molecole come l'ATP (la valuta energetica della cellula), l'ossalacetato e il fumarato agiscono come regolatori. Possono rallentare o accelerare l'enzima a seconda di ciò di cui la cellula ha bisogno. È come un termostato intelligente che regola il riscaldamento in base a quanto si sente freddo nella stanza.

La crisi delle batterie
Per capire cosa faccia effettivamente LmME2 per il parassita, gli scienziati hanno usato un "canceller" genetico (CRISPR-Cas9) per eliminare il gene LmME2. Hanno creato un ceppo di parassiti che non possiede affatto LmME2. All'inizio, i parassiti mutanti sembravano normali e crescevano bene in una capsula di Petri. Ma quando gli scienziati hanno controllato le loro batterie interne, hanno trovato un disastro. I parassiti mutanti avevano perso una grande parte delle loro batterie "ossidate" (NAD+ e NADP+). Interessante è che le batterie "cariche" (NADH e NADPH) sono rimaste quasi invariate. Ciò suggerisce che LmME2 non sta solo creando nuova energia; è fondamentale per riciclare le vecchie batterie in modo che la cellula non esaurisca le materie prime. Senza LmME2, il sistema di riciclo delle batterie del parassita si interrompe.

Il fuoco e il fallimento
Poiché il sistema delle batterie era guasto, i parassiti mutanti non riuscivano a gestire lo stress. Quando gli scienziati hanno esposto i parassiti mutanti al perossido di idrogeno (un'arma chimica simile a quelle usate dalle cellule immunitarie), i parassiti mutanti hanno accumulato livelli pericolosi di specie reattive dell'ossigeno (ROS) — fondamentalmente, ruggine interna e fuoco. Erano anche molto più sensibili ai farmaci che bloccano la loro altra via principale per produrre batterie (la via dei pentoso fosfati).

La prova decisiva è arrivata quando hanno inserito questi parassiti mutanti in un ospite vivente. Quando gli scienziati hanno infettato i topi con i parassiti privi di LmME2, i topi si sono malati appena. I parassiti non riuscivano a sopravvivere all'interno delle cellule immunitarie dei topi (macrofagi) e non sono riusciti a causare le grandi e dolorose piaghe che solitamente compaiono. Di fatto, il numero di parassiti nei topi era circa 100 volte inferiore rispetto ai topi infettati dai parassiti normali.

La conclusione
L'articolo conclude che LmME2 è un guardiano vitale, precedentemente sconosciuto, della salute del parassita. Agisce come un enzima malico citosolico che mantiene equilibrati i livelli delle batterie del parassita e tiene sotto controllo il fuoco interno. Senza di esso, il parassita è troppo debole per sopravvivere nel duro ambiente di un mammifero. Questa scoperta suggerisce che, se saremo in grado di progettare un farmaco per bloccare specificamente LmME2, potremo affamare il parassita del suo equilibrio redox e fermare la malattia, il tutto senza danneggiare l'ospite umano, poiché la nostra versione di questo enzima funziona diversamente. Gli scienziati hanno identificato un nuovo, promettente bersaglio per combattere la leishmaniosi.