Hierarchical cysteine oxidation controls reversible amyloid formation in an ankyrin repeat protein

Le proteine sono i motori della vita, minuscole macchine che si ripiegano in precise forme tridimensionali per svolgere compiti specifici. Di solito, la forma di una proteina è la sua identità; se perde quella forma, smette di funzionare. Per decenni, gli scienziati hanno creduto che quando le proteine perdevano la loro forma e si raggruppavano in fibre rigide e simili a corde chiamate amiloidi, fosse un segno di malattia o di morte. Questi ammassi amiloidi sono il marchio di condizioni come l'Alzheimer e il Parkinson, dove ostruiscono il cervello e distruggono le cellule. Tuttavia, un crescente corpo di ricerche ha rivelato che alcune proteine possono trasformarsi deliberatamente in queste forme amiloidi per svolgere lavori utili, come immagazzinare ormoni o costruire barriere protettive. Il grande mistero è stato come una cellula controlli questo interruttore. Come fa una proteina a sapere quando rimanere uno strumento flessibile e funzionante e quando bloccarsi in una struttura rigida e fibrosa senza causare danni?

Un team di ricercatori in Nuova Zelanda ha scoperto un sofisticato interruttore chimico in una proteina del pesce zebra che risponde a questa domanda. Hanno studiato una proteina chiamata drP18, che agisce come un freno sulla divisione cellulare, aiutando a prevenire i tumori. Questa proteina contiene due punti speciali, noti come residui di cisteina, che agiscono come maniglie chimiche. I ricercatori hanno scoperto che queste due maniglie non lavorano indipendentemente. Invece, operano in una gerarchia rigorosa, in cui una maniglia controlla l'altra. Quando la proteina è esposta a specifici segnali chimici presenti nel corpo, la prima maniglia tiene lontana la seconda, mantenendo la proteina sicura e funzionale. Ma se le condizioni chimiche cambiano, la prima maniglia viene bloccata da una molecola diversa, liberando la seconda maniglia affinché possa agganciarsi ad altre proteine. Ciò innesca una rapida trasformazione in cui le proteine si collegano tra loro in lunghe fibre amiloidi reversibili. Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che l'intero processo è controllato dal tipo di ossidante chimico presente, e le fibre risultanti possono essere smontate con la stessa facilitza con cui sono state costruite, ripristinando la proteina al suo stato originale e funzionante.

La storia inizia con la scoperta che questa proteina del pesce zebra, drP18, si comporta diversamente dalla sua cugina umana. Mentre la versione umana ha solo una di queste maniglie chimiche, la versione del pesce zebra ne ha due, posizionate lontano l'una dall'altra sulla superficie della proteina. I ricercatori volevano vedere se queste due maniglie creassero un sistema di controllo più complesso. Hanno iniziato esponendo la proteina a vari agenti ossidanti comuni, ovvero sostanze chimiche che rimuovono elettroni e possono cambiare il modo in cui le proteine si comportano. Quando hanno utilizzato una sostanza chiamata diamide, le due maniglie su una singola molecola di proteina si sono afferrate a vicenda, formando un anello all'interno della proteina. Questo anello interno ha agito come un blocco di sicurezza, impedendo alla proteina di raggrupparsi. La proteina è rimasta flessibile e singola, incapace di formare le fibre rigide associate alle amiloidi.

Tuttamente diverso è stato il risultato quando i ricercatori hanno introdotto una sostanza chimica differente chiamata acido ipotiocianoso, che è prodotto dal sistema immunitario. In queste condizioni, la prima maniglia, situata alla posizione 50, non ha afferrato la seconda maniglia. Invece, è stata rivestita da una piccola molecola chiamata glutatione, abbondante nelle cellule. Questo rivestimento ha agito come uno scudo, bloccando la prima maniglia dall'agganciarsi alla seconda. Con la prima maniglia occupata, la seconda maniglia, situata alla posizione 128, è rimasta libera. Quando è arrivata la sostanza ossidante, questa maniglia libera si è protesa per afferrare la stessa maniglia su una proteina vicina. Ciò ha creato una reazione a catena, collegando molte proteine in dimeri e poi in lunghe fibre simili a corde. I ricercatori hanno confermato che queste fibre erano amiloidi osservando come disperdevano la luce e guardandole sotto potenti microscopi, dove apparivano come strutture filiformi distinte.

Ciò che ha reso questa scoperta davvero unica è stata la realizzazione che la proteina poteva passare avanti e indietro. I ricercatori hanno aggiunto un agente riducente, una sostanza chimica che rompe i legami che tengono unite le proteine, e hanno osservato le lunghe fibre dissolversi nuovamente in singole proteine funzionanti. Questa reversibilità ha dimostrato che la formazione di amiloidi non era un segno di danno o malattia, ma un processo controllato e funzionale. Il team ha poi testato se il tipo di sostanza ossidante chimica importasse. Hanno scoperto che diverse sostanze chimiche producevano fibre amiloidi con forme e velocità di formazione differenti. Alcune sostanze chimiche creavano lunghe corde intrecciate, mentre altre creavano filamenti più corti e frammentati. Ciò suggeriva che la cellula potesse potenzialmente modulare la struttura delle fibre amiloidi semplicemente cambiando l'ambiente chimico, permettendo diversi esiti funzionali.

Per capire come questo meccanismo funzionasse a livello molecolare, i ricercatori hanno esaminato da vicino le due maniglie. Hanno misurato il potenziale chimico di ciascuna maniglia per determinare quale reagisse per prima. Hanno scoperto che la maniglia alla posizione 50 era più reattiva e si ossidava prima di quella alla posizione 128. Questo ha confermato la natura gerarchica dell'interruttore: la prima maniglia agisce come un regolatore, decidendo se la seconda sia disponibile per svolgere il suo compito. Quando la prima maniglia è libera, blocca la seconda, mantenendo la proteina nella sua forma singola e sicura. Quando la prima manola è bloccata dal glutatione, la seconda maniglia viene rilasciata per costruire la struttura amiloide. Questo processo in due fasi assicura che la proteina formi amiloidi solo quando le specifiche condizioni chimiche sono corrette.

I ricercatori hanno anche testato cosa accadesse alla funzione della proteina durante questa trasformazione. Nella sua forma normale e singola, la proteina agisce come un freno su un enzima chiave chiamato CDK4, che guida la divisione cellulare. Hanno scoperto che quando la proteina formava fibre amiloidi, perdeva questa capacità di fermare l'enzima. Il freno della divisione cellulare veniva efficacemente spento. Tuttavia, quando hanno scomposto le fibre e riportato la proteina alla sua forma singola, essa ha recuperato la sua capacità di fermare l'enzima. Ciò ha dimostrato che lo scambio tra la forma singola e la forma amiloide era un modo diretto per attivare e disattivare la funzione della proteina. Lo stato amiloide non era un vicolo cieco; era uno stato di stoccaggio o inattivazione temporaneo e reversibile.

Per vedere se questo accadeva in un organismo vivente, i ricercatori hanno iniettato le istruzioni genetiche per la proteina in embrioni di pesce zebra. Mentre gli embrioni crescevano, la proteina formava ammassi che venivano colorati con un colorante noto per legarsi alle strutture amiloidi. Questi ammassi erano visibili all'interno delle cellule e scomparivano quando i ricercatori trattavano il tessuto con un agente riducente. Ciò ha confermato che la proteina poteva subire questa trasformazione guidata dall'ossidazione all'interno di un animale vivente, probabilmente innescata dalle naturali sostanze chimiche ossidanti presenti durante lo sviluppo. Le scoperte suggeriscono che la natura abbia evoluto un modo per utilizzare gli stessi principi chimici che causano malattie negli esseri umani per creare un interruttore funzionale e reversibile in altri organismi.

Questo lavoro sfida la vecchia visione secondo cui la formazione di amiloidi sia sempre un segno di fallimento cellulare. Invece, mostra che le proteine possono codificare istruzioni complesse e multi-fase per controllare la propria assemblaggio. La proteina del pesce zebra utilizza una maniglia di regolazione per sorvegliare una maniglia esecutrice, creando un sofisticato interruttore chimico che risponde all'ambiente. La capacità di costruire e smantellare queste strutture su richiesta suggerisce che le cellule potrebbero usare meccanismi simili per gestire altre proteine, trasformandole in unità di stoccaggio temporanee o impalcature strutturali quando necessario. La ricerca evidenzia che il confine tra una proteina funzionale e un ammasso patologico non è fisso, ma può essere attraversato e ricrociato attraverso un preciso controllo chimico. Comprendendo come funzionano questi interruttori, gli scienziati potrebbero ottenere nuove intuizioni su come le cellule regolano i loro processi più critici e su come manipolare potenzialmente questi percorsi in futuro.