Colpire e neutralizzare gli interruttori molecolari della “rete internet” intracellulare

supplementary-figure-1Colpire e neutralizzare le interazioni proteiche intracellulari con una precisione mai raggiunta prima. E’ questo l’obiettivo di PISA (Post-translational Intracellular Silencing Antibodies), una tecnologia messa a punto da un team di studenti e ricercatori guidati dal professor Antonino Cattaneo, presso il Laboratorio Bio@SNS della Scuola Normale Superiore. La tecnica è stata descritta in un articolo pubblicato su Nature Methods e permetterà per la prima volta di interferire selettivamente e specificamente, in cellule vive, con proteine intracellulari modificate chimicamente, e dunque nell’ultima tappa della loro biosintesi.

Come noto ogni proteina, dopo essere stata sintetizzata a partire dalla sequenza dal suo corrispondente gene, va incontro ad una serie di innumerevoli modificazioni chimiche dette post traduzionali. E’ per questo che la collezione di tutte le proteine dell’organismo, detta proteoma, è così complessa e ancora in larga parte non compresa.

Ad ogni gene corrispondono molteplici proteine con modificazioni post traduzionali diverse (chiamiamole PTM, da post-translational modifications), con funzioni spesso differenti. Le PTM mediano le interazioni proteina-proteina e sono quindi alla base del funzionamento della rete delle proteine cellulari. Possiamo vedere le PTM come un complesso “linguaggio”, un sistema di interruttori con cui le proteine intra-cellulari interagiscono tra loro, a formare  una complessa e dinamica rete di proteine, come una rete Internet intracellulare: ad esempio una proteina A con una certa PTM potrà “parlare” alla proteina B, mentre A e B non possono comunicare in assenza della PTM, sono “mute” l’una per l’altra. Questo meccanismo generale ha una enorme rilevanza fisiologica e, ovviamente, anche patologica.

Proprio per questo motivo, per lo studio delle funzioni cellulari e quindi per individuare nuovi punti di attacco per la  cura di molte patologie, sarebbe indispensabile poter interferire direttamente e selettivamente con il sottoinsieme di una proteina A che porta una determinata PTM, senza invece toccare la proteina A non modificata. Ad oggi, con le tecniche finora sviluppate, questo tipo di approccio selettivo non è stato possibile, e nessuno dei farmaci oggi approvati dalla FDA colpiscono direttamente una PTM, nonostante il proteoma post traduzionale rappresenti una sorgente ricchissima di potenziali bersagli terapeutici.

Lo studio pubblicato su Nature Methods dimostra in che modo la tecnologia PISA permette di colpire selettivamente l’interruttore molecolare acceso (ovvero la proteina modificata post-traduzionalmente), ignorando la versione non modificata della proteina stessa. Questo consentirà quindi di studiare gli effetti biochimici e cellulari della neutralizzazione selettiva della PTM, con un potere risolutivo finora non possibile.

Per lo sviluppo di PISA i ricercatori hanno utilizzato una tecnologia precedentemente sviluppata dal gruppo del prof Cattaneo negli anni, che prevede l’inserzione nella cellula, con alta precisione spaziale e temporale, di piccoli domini anticorpali, detti intrabodies, per colpire e neutralizzare la proteina riconosciuta. Con PISA per la prima volta gli intrabodies sono anti-PTM, ossia neutralizzano selettivamente la proteina PTM (in questo caso una proteina istonica acetilata) e non la stessa proteina non-PTM. La acetilazione delle proteine istoniche e’ alla base del cosiddetto “codice istonico” per la regolazione epigenetica della espressione genica nelle nostre cellule.  Il metodo sviluppato permette quindi di studiare la funzione della rete di controllo epigenetico con una selettività e specificità mai raggiunta prima, accelerando la nostra comprensione sul “linguaggio” delle proteine, e permettendo di identificare e colpire bersagli proteici di interesse farmacologico e terapeutico.

Cattaneo e collaboratori stanno perseguendo le applicazioni industriali farmaceutiche e biotecnologiche della tecnologia PISA nel campo della neurodegenerazione, in un progetto che vede la collaborazione tra tutte le istituzioni pisane attive nelle life sciences, per la produzione di nuove molecule per la diagnosi e terapia delle disfunzioni dell’asse cuore-cervello.

Allo studio coordinato da Antonino Cattaneo presso il Laboratorio Bio@SNS,  hanno collaborato i perfezionandi Michele Chirichella (primo autore del lavoro) e Marco Fantini, gli assegnisti Martina Goracci, Simonetta Lisi e  Mariantonietta Calvello e la ricercatrice Cristina Di Primio, assieme a ricercatori dell’Istituto EBRI-Levi Montalcini.