La struttura cristallina della proteina della fibrosi cistica: il Santo Graal della genetica molecolare
La FC si manifesta quando un difetto nella proteina CFTR (CF Transmembrane conductance Regulator) induce l’accumulo di muco nei sistemi respiratorio e digestivo del paziente. I sintomi includono infezioni polmonari e ostruzione intestinale a causa di questo blocco causato dal muco. I farmaci attuali sono molto costosi: Kalydeco di Vertex Pharmaceuticals costa al paziente circa 300 000 di dollari USA all’anno. Con la diminuzione della qualità della vita e la morte prematura per i pazienti colpiti dalla FC, sono urgentemente necessarie nuove terapie. Terapie alternative trarrebbero beneficio dalle informazioni strutturali della CFTR ad alta risoluzione «L’obiettivo finale del progetto CF_struct era quello di sviluppare medicinali che migliorassero l’efficacia dei farmaci, aumentassero la qualità della vita e diminuissero le difficoltà finanziarie», sottolinea la dott.ssa Susan Fetics, ricercatrice e borsista Marie Curie. Un farmaco funziona meglio quando si lega in modo efficiente alla sua proteina bersaglio. Il farmaco deve aderire alla proteina CFTR malata per ripristinare la sua struttura e funzione. Il «gating» gioca un ruolo fondamentale. La CFTR presenta un poro chiuso («gated») che deve aprirsi per consentire il passaggio di ioni cloruro caricati. Quando la CFTR è alterata da mutazioni genetiche, i canali del cloro disfunzionali provocano l’accumulo di muco nel corpo e i sintomi cronici della FC. CFTR: una sfida alla formazione dei cristalli «All’inizio del programma CF_struct, non esistevano strutture ad alta risoluzione per la CFTR, per cui ci siamo concentrati sul metodo della cristallografia a raggi X», spiega il prof. Martin Caffrey, coordinatore del progetto. Nonostante gli esaustivi tentativi per produrre proteine ed eseguire lo screening di decine di migliaia di diverse condizioni di cristallizzazione, la CFTR è rimasta resistente alla formazione di cristalli. «Purtroppo, non siamo stati in grado di generare cristalli di CFTR di qualità strutturale in isolamento o in presenza di Kalydeco, durante il finanziamento Marie Curie», ricorda il prof. Caffrey. Altri risultati CFTR strutturali sono emersi durante il corso di CF_struct. In primo luogo, una struttura di CFTR di pesce zebra, ottenuta mediante microscopia elettronica criogenica (CryoEM), ha fornito spunti sulla sua modalità di attivazione. Dettagli sono seguiti da due strutture CryoEM successive. «Insieme, questi tre modelli hanno fornito informazioni sul meccanismo del ciclo di gating del canale della CFTR», sottolinea la dott.ssa Fetics. «Abbiamo continuato a perseguire strutture cristalline che completerebbero ed estenderebbero il lavoro CryoEM», afferma. Ambizioni «cristalline» La dott.ssa Fetics continua il racconto: «Abbiamo prodotto con successo la CFTR di pollo seguendo un protocollo sviluppato nel laboratorio del prof. Riordan presso l’Università del North Carolina, negli Stati Uniti». Questo, combinato con la purificazione della CFTR umana fornita dal prof. Kappes all’Università dell’Alabama, ha permesso al team di eseguire sperimentazioni di cristallizzazione estremamente ampie. La proteina CFTR purificata è instabile e difficile da concentrare. «Abbiamo pertanto impiegato il metodo Cubicon per accelerare gradualmente la concentrazione di proteine necessarie per le sperimentazioni di cristallizzazione», spiega il prof. Caffrey. Allo stesso tempo, la quantità di proteine utilizzate in ciascun pozzetto di cristallizzazione è stata ridotta per un miglior uso del materiale disponibile. Il futuro della terapia per la FC Realizzato con il supporto del programma Marie Curie, la ricerca al Trinity College rappresenta una lotta scientifica comune in cui risorse e perseveranza sono fondamentali per superare la sfida delle biomolecole che non si comportano nel modo previsto. Al momento, il team CF_struct non ha intenzione di perseguire una struttura cristallina, ma il suo lavoro ha informato i ricercatori che stanno indagando su questa malattia debilitante. Il prof. Caffrey e la dott.ssa Fetics riassumono l’importanza della ricerca del Trinity College: «Fino a 100 000 persone in tutto il mondo sono affette da FC. Una struttura cristallina avrebbe potuto avere un impatto positivo sull’economia globale riducendo i costi della FC, aumentando l’aspettativa di vita, migliorando la qualità della vita e diminuendo l’onere per le persone che se ne prendono cura».
Parole chiave
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