Le cellule di lievito sono ampiamente utilizzate per studiare i recettori accoppiati a proteine G (GPCR), un ampio gruppo di proteine della superficie cellulare negli esseri umani. Tuttavia, molte di queste proteine perdono la loro funzione quando vengono introdotte nelle cellule di lievito. Per affrontare questo problema, i ricercatori giapponesi hanno sviluppato una strategia innovativa per ripristinare la funzione GPCR nelle cellule di lievito inducendo mutazioni casuali. Le loro scoperte possono aiutare a comprendere meglio i GPCR e potrebbero aprire la strada a scoperte terapeutiche per molte malattie.
I recettori accoppiati a proteine G (GPCR) rappresentano il gruppo più ampio e diversificato di proteine della superficie cellulare nell’uomo. Questi recettori, che possono essere visti come “direttori del traffico”, trasmettono segnali dall’esterno all’interno delle cellule e sono coinvolti in molti processi fisiologici. Considerati i loro ruoli importanti nella comunicazione cellulare, nella crescita cellulare, nelle risposte immunitarie e nella percezione sensoriale, molti farmaci sono stati sviluppati per colpire i GPCR, per il trattamento di condizioni come asma, allergie, depressione, ipertensione e malattie cardiache. Infatti, più di 300 farmaci correlati al GPCR sono attualmente in fase di sperimentazione clinica, il 36% dei quali mira a oltre 60 nuovi target GPCR senza un farmaco già approvato. Inoltre, i farmaci che prendono di mira i GPCR rappresentano fino al 27% della quota di mercato globale dei farmaci terapeutici, con vendite aggregate vicine a 890 miliardi di dollari tra il 2011 e il 2015. Pertanto, qualsiasi tecnica che possa accelerare la ricerca sui GPCR rischia di innescare un un grande effetto a catena, che alla fine porterà trattamenti più efficaci a milioni di persone.
Oggi, approcci come la microscopia crioelettronica, l’optogenetica, gli approcci computazionali e l’intelligenza artificiale, i biosensori e le tecnologie senza etichetta e le tecnologie a cellula singola vengono esplorati per la scoperta e lo sviluppo di farmaci GPCR. Tra questi, l’approccio monocellulare basato sul lievito è una delle piattaforme più utili per studiare i GPCR. Oltre alla sua diffusa applicazione nella birra e nella panificazione, il lievito specie Saccharomyces cerevisiae ha una lunga storia di utilizzo come host per la ricerca sui GPCR di derivazione umana. Sebbene alcuni GPCR possano essere progettati per migliorarne la stabilità e la funzione per facilitare gli esperimenti, la maggior parte dei GPCR non funziona bene nelle cellule di lievito. Questo problema di lunga data ha notevolmente rallentato i progressi nella nostra comprensione dei GPCR e nello sviluppo di nuovi farmaci che li colpiscono.
In questo contesto, un gruppo di ricerca dell’Università delle Scienze di Tokyo (TUS), in Giappone, ha recentemente elaborato una strategia innovativa per ripristinare l’attività dell’istamina 3 umana GPCR di derivazione umana (H3R) dentro S. cerevisiae. Il loro studio, pubblicato nel volume 13 di Rapporti scientifici il 26 settembre 2023, è stato guidato dal professore associato Mitsunori Shiroishi e scritto in collaborazione da Ayami Watanabe e Ami Nakajima, tutte della TUS.
“H3R è espresso principalmente nel sistema nervoso. È coinvolto nella funzione cognitiva e la sua inibizione è associata agli esiti terapeutici di varie condizioni, come l’ADHD, la schizofrenia, il morbo di Alzheimer e la narcolessia,” spiega il dottor Shiroishi. Attraverso esperimenti preliminari, il team ha dimostrato che l’H3R diventa non funzionale quando espresso nel lievito.
Per ripristinare la sua funzione, il gruppo di ricerca ha utilizzato una tecnica chiamata reazione a catena della polimerasi soggetta a errori per introdurre mutazioni casuali nell’H3gene R. Dopo aver prodotto una libreria mutante casuale di H3R, hanno introdotto segmenti di DNA modificati nelle cellule di lievito e li hanno coltivati in presenza di un batterio H3Agonista R – un composto che si lega a H3R e innesca una risposta misurabile. Eseguendo lo screening di più colture, i ricercatori hanno ottenuto quattro mutanti in cui la normale attività di H3R è stato restaurato. Questi mutanti hanno risposto esclusivamente a un tipo di ceppo di lievito che ospita alcune proteine G-chimera. Le mutazioni responsabili dell’attività ripristinata erano localizzate vicino ai motivi della sequenza di aminoacidi importanti per l’attivazione del GPCR.
Questo approccio innovativo allo studio dei GPCR potrebbe avere profonde implicazioni, in particolare nei campi della medicina e della biologia cellulare. “La nostra ricerca potrebbe aiutare a chiarire la funzione dei GPCR e potrebbe persino portare allo sviluppo di farmaci con minori effetti collaterali, oltre a rafforzare la scoperta di farmaci per malattie per le quali attualmente non esiste un trattamento“, sottolinea il dottor Shiroishi. Esistono molte aree terapeutiche in cui vengono sviluppati attivamente farmaci che mirano ai GPCR, inclusi disturbi neurologici come l’Alzheimer e la schizofrenia, malattie cardiovascolari come ipertensione e insufficienza cardiaca, vari tipi di cancro e disturbi metabolici.
Una comprensione più approfondita delle variazioni GPCR e del modo in cui influiscono in modo diverso sugli individui potrebbe anche portare a nuovi approcci alla medicina personalizzata. Adattare i farmaci mirati al GPCR alla composizione genetica di un individuo e al suo profilo specifico della malattia può migliorare notevolmente i risultati del trattamento. Inoltre, i trattamenti GPCR generici che raggiungono un vasto numero di persone in tutto il mondo potrebbero diventare una realtà, riducendo così l’onere sui sistemi sanitari.
Siamo certi che i risultati di questo studio apriranno la strada a un futuro più sano per tutti.
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