Comprendere le mutazioni a diversi livelli della cellula
I ricercatori guidati dal professore emerito dell'ETH Ruedi Aebersold hanno dimostrato come le mutazioni in un gene influenzino la struttura, la funzione e la rete di interazione di un complesso proteico. Il lavoro costituisce una base importante per la medicina personalizzata.
Negli anni '90 gli scienziati hanno proclamato l'era del genoma. Di conseguenza, il materiale genetico, il DNA, di molti organismi è stato determinato componente per componente. Si pensi, ad esempio, al Progetto Genoma Umano. Nel 2003, i ricercatori coinvolti hanno dichiarato di aver decodificato l'intero genoma - cioè l'intera sequenza di elementi costitutivi - di un essere umano.
Tuttavia, nel corso di questa intensa attività è stato scoperto anche un gran numero di mutazioni, cioè cambiamenti in singoli geni. Oggi esistono enormi banche dati che elencano queste mutazioni. Tuttavia, esse sono ancora comprese solo in modo incompleto - o non lo sono affatto.
"Il DNA contiene le istruzioni per la costruzione delle proteine", spiega Martin Mehnert, alumni post-dottorando del professore di biologia dei sistemi Ruedi Aebersold. "Se le istruzioni di costruzione sono errate, ciò può influenzare le proteine, le loro funzioni e attività e le loro interazioni con altre molecole".
È da qui che sono partiti i ricercatori dell'ETH. In uno studio pubblicato su Nature Communications, mostrano come le mutazioni in un gene dell'enzima Dyrk2 influenzino la proteina stessa, la sua struttura, la sua funzione e la sua rete di interazioni.
L'enzima Dyrk2, una chinasi, fa parte di un complesso proteico che contiene un altro enzima e un sito di aggancio per varie altre proteine che vengono elaborate dagli enzimi.
Dyrk2 è responsabile della fosforilazione. L'enzima attacca una molecola di fosfato a siti specifici su altre proteine. Il secondo enzima del complesso, una ligasi, attacca poi diverse molecole di ubiquitina alle proteine fosforilate. In questo modo la proteina etichettata in modo corrispondente viene immessa in un trituratore molecolare.
Misurare gli effetti delle mutazioni
Per il loro studio, i ricercatori di Fare all'ETH hanno selezionato sei mutazioni note del gene Dyrk2 da un database. Per ogni mutazione, i bioinformatici hanno calcolato in anticipo la possibile entità del danno, il "punteggio di probabilità del danno".
Per registrare le conseguenze effettive delle mutazioni nel gene Dyrk2 a livello cellulare, i ricercatori hanno utilizzato diversi metodi di spettrometria di massa per misurare tutte le proteine e le loro fosforilazioni presenti nella cellula - il cosiddetto proteoma. "La particolarità di questo lavoro è che possiamo usare la proteomica per misurare l'impronta delle mutazioni su diversi sistemi cellulari allo stesso tempo", afferma Martin Mehnert, che ha lavorato a questo progetto per cinque anni come borsista EMBO. Ruedi Aebersold ha finanziato lo studio con il suo secondo ERC Advanced Grant.
Scoperte mutazioni silenziose e devastanti
Le analisi del proteoma hanno dimostrato che un solo componente alterato del gene Dyrk2 può influenzare la cellula a diversi livelli: Questo riguarda la disposizione spaziale dell'enzima, le sue interazioni con altre proteine fino al fosfoproteoma, cioè l'insieme di tutte le proteine dotate di fosfati.
Alcune delle mutazioni analizzate compromettono la funzione e l'attività del complesso a tal punto che i due enzimi del complesso non possono più interagire tra loro. Questo porta a malfunzionamenti e, in ultima analisi, alla disintegrazione del complesso, che a sua volta può influenzare altri sistemi cellulari.
Tuttavia, non tutte le mutazioni sono associate a un danno. Alcune delle mutazioni geniche analizzate erano piuttosto "silenziose", cioè senza conseguenze per la funzione, la struttura e la rete di interazione del complesso enzimatico.
L'estensione ha sorpreso i ricercatori
"Tuttavia, siamo rimasti sorpresi dalle conseguenze molto diverse delle mutazioni, perché il 'Damage Probability Score' calcolato per questi cambiamenti era molto simile. Inoltre, non ci aspettavamo che singole mutazioni puntiformi potessero avere un effetto così forte sulle interazioni tra le proteine", afferma Mehnert.
Gli esperimenti hanno anche dimostrato che le previsioni calcolate con gli algoritmi non sono sempre corrette. "Per comprendere le malattie, è quindi necessario andare oltre le analisi del genoma ed esaminare sperimentalmente le interazioni a livello delle proteine e delle loro reti", spiega il biologo dei sistemi.
Sulla strada della medicina personalizzata
I moderni metodi di spettrometria di massa rendono sempre più possibile l'analisi qualitativa e quantitativa di migliaia di proteine allo stesso tempo. I ricercatori di Aebersold stanno attualmente dimostrando il potenziale del loro approccio solo su un singolo complesso proteico. In futuro, grazie all'automazione e a nuovi dispositivi analitici e metodi di misurazione più veloci, si potrebbero analizzare decine di complessi di questo tipo in poco tempo.
I risultati sono una pietra miliare per la medicina personalizzata del futuro. Finora, i medici hanno spesso usato solo singole proteine come marcatori di determinati tumori, ad esempio se un marcatore è molto o poco presente nelle cellule. "Tuttavia, questo non dice molto sul meccanismo o sulle vie di segnalazione, o se una mutazione è rilevante o meno per la malattia", spiega Mehnert. Le analisi proteomiche possono essere utilizzate per capire meglio cosa fanno le mutazioni nell'organismo e quale trattamento potrebbe effettivamente essere utile.
Le mutazioni del complesso enzimatico utilizzate in questo studio sono associate al cancro al seno. Tuttavia, Dyrk2 sembra essere alterato anche in altri tipi di cancro. Alcuni ricercatori hanno ipotizzato che questo enzima possa avere un ruolo nello sviluppo del cancro, in quanto fosforila il soppressore tumorale P53, influenzandone la stabilità. Dyrk2 svolge anche un ruolo nella riparazione dei danni al DNA.
Nonostante il suo ruolo importante nel ciclo cellulare, questo enzima è stato finora piuttosto trascurato dalle ricerche. Questo è uno dei motivi per cui Mehnert e i suoi colleghi hanno voluto analizzarlo più da vicino.
"Naturalmente, questi risultati sono solo il primo passo. Ma avrebbe senso portare avanti questo concetto e applicarlo in futuro a diversi complessi proteici", sottolinea il biologo dei sistemi.
Letteratura di riferimento
Mehner M, Ciuffa R, Frommelt F et al: Multi-layered proteomic analyses decode compositional and functional effects of cancer mutations on kinase complexes. Nat Commun 11, 16 luglio 2020, doi: pagina esternahttps://doi.org/10.1038/s41467-020-17387-y