Oamenii de știință au aflat cum pătrunde în celulele colonului o toxină produsă de o bacterie intestinală comună, rezolvând astfel un mister care i-a nedumerit pe cercetători timp de peste 15 ani. Descoperirea nu doar explică felul în care toxina începe să afecteze colonul, ci indică și o posibilă nouă cale de a-i bloca efectele înainte ca acestea să contribuie la apariția cancerului colorectal.
Rezultatele provin de la o echipă multi-instituțională condusă de cercetători de la Centrul de Cancer Kimmel al Universității Johns Hopkins, Institutul Bloomberg~Kimmel pentru Imunoterapia Cancerului și Facultatea de Medicină a Universității Johns Hopkins. Publicat în revista științifică Nature, studiul arată că toxina, cunoscută sub numele de BFT și produsă de Bacteroides fragilis, trebuie mai întâi să se atașeze de o proteină gazdă numită claudină-4 înainte de a putea afecta celulele colonului.
Importanța acestei descoperiri este majoră: descifrarea mecanismului prin care toxina vulnerabilizează colonul oferă medicilor o țintă clară pentru a preveni dezvoltarea tumorilor colorectale.
„Am făcut mai multe încercări de-a lungul timpului pentru a identifica receptorul, așa că acesta este un moment emoționant. Înțelegerea modului în care acționează toxinele bacteriene poate deschide calea către noi abordări pentru depistarea și tratamentul bolilor asociate, inclusiv diareea, cancerul colorectal și infecțiile sanguine.”, spune autoarea principală, dr. Cynthia Sears, profesoară Bloomberg~Kimmel de Imunoterapie a Cancerului și profesoară de medicină la Johns Hopkins, citat de publicația Science Daily.
Ce bacterie declanșează cancerul de colon și cum acționează toxina BFT
Descoperirile echipei au inspirat deja o strategie promițătoare de blocare a toxinei. Cercetătorii au dezvoltat o momeală moleculară care a interceptat cu succes BFT în modele animale, împiedicând-o să afecteze colonul.
Bacteroides fragilis se găsește la până la 20% dintre persoanele sănătoase, dar anumite tulpini pot declanșa inflamații în colon și pot favoriza creșterea tumorilor. Cercetări anterioare din laboratorul lui Sears au arătat că BFT provoacă inflamație cronică prin scindarea E-caderinei, o proteină care ajută la menținerea barierei protectoare a colonului. Acel studiu anterior, publicat în Nature Medicine, a demonstrat, de asemenea, că activitatea toxinei determină formarea tumorilor colonice.
Deși ideea că 1 din 5 oameni poartă această bacterie poate suna alarmant, medicii subliniază un detaliu esențial: nu simpla prezență a bacteriei cauzează cancerul, ci modul în care anumite tulpini agresive eliberează toxina. Viitoarele tratamente nu vor urmări să distrugă flora intestinală, ci doar să blocheze această toxină-problemă.
O întrebare majoră rămăsese însă fără răspuns. BFT nu părea să se lege direct de E-caderină, ceea ce sugera că o altă moleculă ajuta mai întâi toxina să obțină acces la ținta sa.
Un screening CRISPR dezvăluie veriga lipsă
Pentru a identifica acea verigă lipsă, Maxwell White, doctorand în medicină și doctorat în cadrul laboratorului lui Sears, a condus un efort de screening CRISPR la nivel genomic, în colaborare cu laboratorul lui Matthew Waldor de la Harvard Medical School.
Cercetătorii au dezactivat sistematic gene individuale din celulele epiteliale ale colonului pentru a determina care dintre ele erau necesare pentru ca toxina să acționeze. O proteină s-a remarcat imediat: claudina-4. Când claudina-4 a fost eliminată, BFT nu s-a mai putut atașa de celule, lăsând E-caderina intactă.
Ca să înțelegem mai simplu: imaginează-ți peretele colonului ca pe zidul unei cetăți (protejat de proteina E-caderină). Toxina bacteriei este un invadator care nu poate sparge zidul cu forța. În schimb, cercetătorii au descoperit că toxina are nevoie de o «ușă secretă» lăsată descuiată chiar de organismul nostru (proteina claudina-4). Fără această ușă, toxina rămâne inofensivă pe la porți.
„A durat ceva timp până când testul a început să funcționeze și am validat abordarea, dar odată ce am reușit să efectuăm screeningul, claudina-4 a fost un rezultat clar și răsunător. A fost un moment emoționant.”, spune White.
Descoperirea i-a surprins pe cercetători. Sears spune că mulți oameni de știință se așteptau ca receptorul să fie o proteină de semnalizare, cum ar fi un receptor proteic cuplat la G, dar claudina-4 aparține unei clase diferite de proteine. O analiză a cercetărilor anterioare nu a reușit nici ea să identifice o altă toxină care să se comporte în același mod. Majoritatea toxinelor proteazice se leagă direct de moleculele pe care le atacă, în loc să se atașeze mai întâi de un receptor separat.
Confirmarea țintei moleculare a toxinei
Pentru a verifica interacțiunea, cercetătorii de la Johns Hopkins au colaborat cu biologii structurali F. Xavier Gomis-Rüth și Ulrich Eckhard, de la Institutul de Biologie Moleculară din Barcelona.
Folosind tehnici biofizice, White și echipa din Barcelona au demonstrat că BFT și claudina-4 formează un complex unu-la-unu strâns legat în cadrul experimentelor de laborator. Aceasta a furnizat prima dovadă fizică directă că toxina se leagă de receptor înainte de a afecta celulele colonului. Cercetătorii și-au testat apoi descoperirile pe sisteme vii, printr-o colaborare cu laboratorul lui Min Dong de la Harvard Medical School. Lucrând împreună cu Kang Wang și colegii săi, au examinat comportamentul toxinei în modele murine.
O momeală moleculară protejează șoarecii de toxina intestinală
Echipa a creat o versiune solubilă a claudinei-4 care a acționat ca momeală, prezentând porțiuni ale receptorului recunoscute în mod normal de toxină. În loc să se lege de celulele colonului, BFT s-a atașat de proteinele-momeală. Practic, cercetătorii au presărat în calea toxinei un fel de «bureți falși» care imită ușa celulelor noastre. Toxina, păcălită, s-a atașat de acești bureți și a fost neutralizată înainte să mai ajungă la peretele real al colonului. Această strategie a protejat cu succes șoarecii de leziunile colonului induse de BFT.
„Această abordare ar putea fi dezvoltată în continuare cu molecule mici sau alte produse biologice care au proprietăți farmacologice mai bune”, a spus White.
Echipa de cercetare investighează acum ce tipuri de terapii ar putea fi cele mai eficiente în blocarea toxinei.
Întrebări încă fără răspuns
Deși cercetătorii au identificat receptorul și au demonstrat că acesta se leagă strâns de BFT, o provocare importantă rămâne nerezolvată. Ei nu au reușit încă să surprindă structura experimentală precisă care să arate exact cum se potrivesc toxina și claudina-4.
Instrumentele actuale de modelare bazate pe inteligență artificială, inclusiv AlphaFold, nu au reușit să elucideze pe deplin această interacțiune. Cu toate acestea, identificarea claudinei-4 ca poartă de intrare pentru această bacterie intestinală rămâne un punct de cotitură în înțelegerea și, în viitor, prevenția cancerului de colon.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Oamenii care par buni vânători-culegători sunt preferați ca prieteni, arată un studiu
O grăsime alimentară obișnuită poate favoriza diabetul de tip 2, în timp ce alta ajută la combaterea lui
De ce aceeași leziune a ADN-ului provoacă cancer doar la unele persoane — genele moștenite ar putea explica diferența
Un nou aliaj, de până la 10 ori mai rezistent decât oțelul, se îndoaie în loc să crape. Care este utilitatea sa
