Characterisation of prostate cancer sialome re-engineering via CMAH transfection reveals a bystander effect that propagates Neu5Gc presentation to neighbouring cells

La superficie di ogni cellula umana è rivestita da uno strato zuccherino spesso, un mantello molecolare che funge sia da scudo che da carta d'identità. Questo rivestimento, noto come glicocalice, è composto da lunghe catene di molecole di zucchero attaccate a proteine e grassi. Tra questi zuccheri, una specifica famiglia chiamata acidi sialici svolge un ruolo critico nella comunicazione delle cellule con l'ambiente circostante, in particolare con il sistema immunitario. Negli esseri umani sani, il corpo produce un unico tipo principale di acido sialico, ma ha perso la capacità di produrre una seconda versione, leggermente diversa, presente nella maggior parte degli altri mammiferi. Questa versione mancante è chimicamente distinta da un solo atomo di ossigeno, eppure questa minuscola differenza cambia il modo in cui il sistema immunitario riconosce la cellula. Poiché il corpo umano non può produrre naturalmente questo secondo zucchero, la sua presenza su una cellula segnala solitamente che la cellula lo ha ingerito attraverso la dieta o che, nel caso di alcuni tumori, ha in qualche modo riattivato un antico percorso genetico per produrlo. Comprendere come questi zuccheri cambiano nelle cellule cancerose è vitale, poiché possono agire come un travestimento, aiutando i tumori a nascondersi dalle difese del corpo.

Un team di ricercatori dell'Università di York si è proposto di investigare questo fenomeno utilizzando le cellule del cancro alla prostata come modello. Volevano vedere cosa sarebbe successo se avessero costretto queste cellule cancerose a produrre lo zucchero mancante, riprogettando efficacementmente la loro chimica superficiale. Gli scienziati hanno introdotto un gene proveniente dai ratti, che produce naturalmente l'enzima necessario per creare questo specifico zucchero, in cellule di cancro alla prostata umana che normalmente non possono produrlo. Facendo questo, hanno creato un modello di laboratorio in cui le cellule cancerose hanno iniziato a esporre lo zucchero estraneo sulla loro superficie esterna. I ricercatori hanno poi trascorso mesi osservando queste cellule modificate, tracciando come lo zucchero appariva, a quali tipi di catene molecolari si attaccava e per quanto tempo rimaneva sulla superficie. Hanno scoperto che lo zucchero non rimaneva solo sulle cellule che lo producevano; appariva anche sulle cellule vicine che non erano state modificate affatto. Questa scoperta suggerisce un meccanismo in cui poche cellule alterate potrebbero diffondere questa nuova firma chimica ai loro vicini, cambiando potenzialmente l'intero ambiente di un tumore senza che ogni singola cellula debba cambiare il proprio DNA.

Lo studio è iniziato con una selezione attenta dello strumento genetico. I ricercatori hanno confrontato le sequenze di DNA dell'enzima di diversi animali, inclusi ratti e zebrafish, per trovare il miglior candidato per il loro esperimento. Hanno utilizzato la modellazione computerizzata per prevedere la forma tridimensionale di questi enzimi, confermando che, nonostante le piccole differenze nel loro codice genetico, le versioni di ratto e zebrafish si ripiegano in strutture quasi identiche con una tasca centrale progettata per contenere il precursore dello zucchero. Quando hanno inserito la versione del gene del ratto nelle cellule di cancro alla prostata, le cellule hanno iniziato con successo a produrre lo zucchero mancante. Per garantire che lo zucchero rilevato provenisse dalle macchine proprie delle cellule e non dal siero animale spesso usato per nutrire le cellule in laboratorio, i ricercatori hanno sostituito la dieta delle cellule con una contenente solo siero umano, che è privo di questo zucchero specifico.

Una volta che le cellule stavano producendo lo zucchero, il team aveva bisogno di verificare esattamente dove questo si stesse posizionando sulla superficie cellulare. Hanno trattato le cellule con un enzima a largo spettro che agisce come forbici molecolari, tagliando le estremità delle catene di zucchero. Questo trattamento ha rimosso il segnale, provando che lo zucchero si trovava effettivamente sulla parte più esterna della cellula, esposto all'ambiente. I ricercatori hanno poi utilizzato specifici inibitori chimici per bloccare la produzione di due diversi tipi di catene di zucchero: quelle attaccate alle proteine in un modo specifico chiamato N-glicani, e quelle attaccate in un modo diverso chiamato O-glicani. Quando hanno bloccato la via degli O-glicani, la quantità di nuovo zucchero sulla superficie cellulare è diminuita significativamente. Tuttavia, il blocco della via degli N-glicani non ha avuto alcun effetto. Questo risultato ha indicato che le cellule riprogrammate stavano principalmente attaccando questo nuovo zucchero alle catene legate tramite legami O (O-linked), che si trovano spesso sulle mucine, le spesse proteine simili al muco che rivestono molti tessuti.

Per ottenere un quadro più dettagliato, gli scienziati hanno scomposto le cellule e analizzato le specifiche combinazioni zucchero-proteina utilizzando uno spettrometro di massa altamente sensibile. Hanno identificato migliaia di proteine e mappato dove gli zuccheri erano attaccati. Nelle cellule non modificate, hanno trovato solo lo zucchero umano standard. Nelle cellule modificate, hanno trovato il nuovo zucchero attaccato a diverse proteine, principalmente sulle catene legate tramite legami O. Tuttavia, l'analisi ha omesso alcune delle proteine più pesantemente zuccherate, note come mucine, probabilmente perché il metodo standard utilizzato per scomporre le proteine non era abbastanza delicato da gestire queste molecole appiccicose e complesse. Per confermare che queste mucine fossero effettivamente i principali vettori del nuovo zucchero, i ricercatori hanno utilizzato un enzima specializzato che mira e taglia specificamente le mucine. Quando hanno applicato questo enzima, la quantità di nuovo zucchero sulla superficie cellulare è crollata, confermando che lo zucchero era in gran parte nascosto su queste strutture ricche di mucina.

La scoperta più sorprendente è emersa quando i ricercatori hanno mescolato le cellule modificate con quelle non modificate. Hanno marcato le cellule non modificate con un colorante rosso e le hanno poste in un piatto con le cellule produttrici di zucchero. Dopo alcuni giorni, hanno controllato le cellule rosse e hanno scoperto che anche loro avevano acquisito il nuovo zucchero sulla loro superficie. Lo zucchero era in qualche modo passato dalle cellule modificate a quelle non modificate. I ricercatori ipotizzano che le cellule modificate espellano le molecole rivestite di zucchero nell'ambiente circostante, forse attraverso l'azione di enzimi naturali che tagliano le catene di zucchero. Le cellule vicine assorbono poi queste molecole, riciclano lo zucchero e lo attaccano alla propria superficie. Questo crea un "effetto bystander" (effetto spettatore), in cui la presenza di poche cellule modificate può alterare l'identità chimica dei loro vicini.

Questa scoperta sfida l'idea che la chimica superficiale di un tumore sia determinata esclusivamente dalla dotazione genetica di ogni singola cellula. Al contrario, suggerisce che l'ambiente stesso possa rimodellare le cellule che lo compongono. Se un piccolo gruppo di cellule cancerose inizia a produrre questo zucchero estraneo, potrebbe potenzialmente diffondere questo tratto al resto del tumore, creando uno scudo uniforme che aiuta l'intera massa a eludere il sistema immunitario. I ricercatori hanno osservato che questo meccanismo potrebbe spiegare perché alcuni tumori mostrano alti livelli di questo zucchero anche se non ogni cellula possiede la mutazione genetica per produrlo. Sebbene lo studio sia stato condotto in un ambiente di laboratorio e non dimostri ancora che ciò accada nei pazienti umani, fornisce un meccanismo chiaro di come tale diffusione possa avvenire. Il lavoro evidenzia la natura dinamica della superficie della cellula cancerosa, mostrando che non è una caratteristica statica, ma un sistema fluido capace di influenzare ed essere influenzato dai propri vicini. Comprendendo come questi zuccheri si muovano e cambino, gli scienziati potrebbero in futuro trovare nuovi modi per interrompere gli scudi protettivi che i tumori costruiscono per sopravvivere.