Il ruolo dei percorsi di rilevamento nel nostro sistema immunitario innato

Il materiale genetico di organismi biologicamente più avanzati, come gli esseri umani, normalmente si trova nel nucleo della cellula e nei mitocondri (organuli legati da membrana). Per questo il DNA che si trova nel citoplsma circostante è probabilmente dovuto a danni del nucleo o dei mitocondri o il risultato di infezioni batteriche o virali.

L’enzima cGAS è stato descritto come un “sensore citosolico del DNA” il che significa che il suo compito è rilevare DNA fuori posto – che può indicare un’infezione – per conto del sistema immunitario innato della cellula. Un’equipe coordinata dal professor Karl-Peter Hopfner della Ludwig-Maximilian, Monaco, basandosi sul lavoro sviluppato nell’ambito del progetto GENESIS, finanziato dall’UE, ha scoperto che l’efficienza con cui l’enzima cGAS riesce a scoprire DNA citoplasmico, è influenzata dalla lunghezza di quest’ultimo.

Perché ogni piolo della scala è d’aiuto

I ricercatori, in un articolo pubblicato sulla rivista “Nature”, hanno scoperto che il cGAS si lega al DNA citosolico creando una struttura simile a una scala. Questo processo provoca la formazione di una molecola (cGAMP) che agisce da messaggero per il sistema immunitario ordinando la sintesi di interferoni, proteine immunostimolatrici che rafforzano le difese cellulari.

L’equipe ha dimostrato che questa attivazione del sistema immunitario innato esige che la struttura simile a una scala superi una certa lunghezza. Un complesso che consiste in un solo filamento breve di DNA non ha la robustezza necessaria per essere sostenibile. Come spiega il prof. Hopfner, “Il complesso funziona come una cerniera. Se solo una delle sporgenze si incastra può essere facilmente spostata, ma quando molte sono collocate nel posto giusto, la parte centrale non si può rompere.”

Per determinare la struttura del complesso, l’equipe ha usato la diffrazione a raggi X dopo aver cristallizzato un complesso composto da frammenti più lunghi di DNA e dimeri di cGAS (le sotto-unità gemelle dell’enzima). La struttura a forma di scala è prodotta o da due filamenti separati di DNA o da una singola molecola di DNA a forma di U che forma i lati verticali, con dimeri di cGAS posizionati tra di essi come “pioli”. Questa struttura stabilizza i dimeri attivi dell’enzima permettendo loro di sintetizzare cGAMP, la molecola segnalatrice. Come spiega Liudmila Andreeva, autrice principale dell’articolo di “Nature”, “Più pioli sono inseriti, più il complesso diventa stabile, perché i dimeri vicini si stabilizzano a vicenda (...) Siamo riusciti a costruire un modello matematico che rappresenta questo meccanismo”.

Si sa che varie proteine possono permettere la formazione della struttura a scala inducendo il DNA a formare curve a U e quindi dare inizio al processo di inserimento di dimeri di cGAS come pioli. L’equipe ha dimostrato che certe proteine legate allo stress e all’avvolgimento del DNA nel nucleo, batteri e mitocondri erano capaci di innescare questo meccanismo.

Studi precedenti avevano già mostrato che filamenti di DNA più lunghi attivavano questo processo protettivo più prontamente rispetto a filamenti più corti, in cellule contenenti quantità equivalenti di DNA citosolico. La teoria empirica è che avere una soglia di lunghezza minima per i filamenti di DNA evita che il sistema immunitario innato reagisca inutilmente, per esempio a molecole di DNA citosolico brevi che sono il risultato di normali processi cellulari.

Trovare nuove risposte

Il progetto GENESIS è riuscito a sfruttare i progressi dell’ingegneria genomica e le opportunità offerte per generare e testare ipotesi escludendo geni o per mezzo dello screening genetico funzionale delle cellule umane. Il progetto ha sviluppato una piattaforma per il bersagliamento del genoma e la verifica, che permette studi su larga scala e di disattivazione.

Il progetto continua a studiare sistematicamente il ruolo dei percorsi di percezione del DNA umano conosciuti che rilevano DNA potenzialmente pericoloso e orchestrano misure di protezione. Mediante uno studio di perturbazione su larga scala il progetto sta studiando specificamente l''influenza del chinoma nei percorsi di segnalazione immunitaria innata antivirale.

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