I virus hanno prosperato negli esseri umani per decine di migliaia di anni, evolvendosi per sfruttare il meccanismo delle cellule per replicarsi e sopravvivere dentro di noi. Alcuni possono oltrepassare le nostre difese e invadere senza nemmeno causare sintomi.
Il virus dell’epatite A eccelle in questo. Questo virus altamente contagioso, che può causare grave infiammazione al fegato, si è evoluto per diffondersi attraverso il contatto ravvicinato da persona a persona o attraverso cibo e acqua contaminati. Anche se dagli anni ’90 è disponibile un eccellente vaccino, dal 2016 ci sono stati 45.000 casi confermati di epatite A, che hanno causato 424 decessi negli Stati Uniti.
Gli scienziati stanno cercando da tempo di distinguere il virus dell’epatite A, di comprenderne il funzionamento interno e come funziona nel corpo umano. Stanley M. Lemon, MD, professore di medicina, microbiologia e immunologia e membro dell’Istituto per la salute globale e le malattie infettive presso la UNC School Medicine, studia da allora i virus RNA a filamento positivo come quello che causa l’epatite A gli anni ’80.
“Si potrebbe dire che il virus dell’epatite A conosce l’interno di una cellula epatica molto meglio di noi”, ha detto Lemon, membro della National Academy of Sciences e dell’UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center. “Studiando l’epatite A, stiamo lentamente imparando di più sulle risposte cellulari, sul sistema immunitario e persino su alcuni aspetti del cancro che altrimenti non conosceremmo”.
Un ritrovato partner di infezione
L’attività di ricerca più recente di Lemon si è concentrata su come il virus si fa strada strategicamente nelle cellule del fegato e prende il controllo del meccanismo interno della cellula per replicare il suo genoma.
Lavorando insieme ai colleghi Nat Moorman, PhD, You Li, PhD, Xian Chen, PhD, Jason Whitmire, PhD, e Joseph Alex Duncan, MD, PhD, presso l’UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center e la UNC School of Medicine, Lemon ha scoperto che una proteina poco conosciuta, la proteina 1 associata al PDGFA (PDAP1), viene utilizzata come pedina dal virus dell’epatite A per replicarsi e infettare le cellule del fegato. I dettagli della nuova scoperta sono stati pubblicati in Progressi della scienza.
I ricercatori hanno identificato PDAP1 attraverso uno screening CRIPSR mirato a oltre 19.000 geni umani. Con l’assistenza del Centro di terapia genica dell’UNC, Lemon e colleghi hanno escluso che la maggior parte di questi geni non fossero importanti nell’infezione da epatite A. Sono rimasti con poco più di 40 geni (e le proteine che codificano) necessari per la replicazione del virus.
Il PDAP1 si distingueva tra questi geni perché non aveva una funzione nota. Curiosi di sapere quale potrebbe essere il suo ruolo nell’infezione da epatite A, Lemon e colleghi si sono tuffati nella letteratura attuale, trovando solo una dozzina di documenti di ricerca precedenti che menzionavano la proteina. Questi studi suggerivano un’associazione con tumori gastrointestinali e glioblastoma, ma si sapeva poco su come funziona la proteina o su come PDAP1 potesse collaborare con il virus per promuovere l’infezione.
Un articolo, scritto da Verónica Delgado-Benito presso il Centro Max Delbrück di medicina molecolare di Berlino, in Germania, ha dimostrato che PDAP1 è fondamentale per sostenere le risposte allo stress cellulare nelle cellule immunitarie che producono anticorpi per combattere infezioni e malattie. Quando Delgado-Benito ha rimosso PDAP1 dalle cellule in laboratorio, le cellule immunitarie sono morte per lo stress e non sono state in grado di produrre i loro anticorpi che combattono le infezioni. Ciò ha incuriosito il gruppo di ricerca.
Sfruttare la risposta allo stress del fegato
La “risposta integrata allo stress” agisce in modo molto simile a un generatore in un uragano, mantenendo la cellula a malapena funzionante finché non riesce a riprendersi dall’evento stressante e ripristinare la piena funzionalità. Le cellule del fegato subiscono uno stress cellulare quando il metabolismo va storto o quando vengono infettate. Nel tentativo di conservare la propria energia e sopravvivere, le cellule del fegato interrompono la produzione della maggior parte delle loro proteine, concentrandosi invece sulla produzione di alcune speciali proteine di sopravvivenza per mantenere in vita la cellula.
Gli esperimenti iniziali del gruppo di ricerca suggerivano che il virus dell’epatite A avesse imparato a sfruttare questo speciale programma di produzione di proteine per produrre le proprie proteine dopo aver infettato e indotto stress nelle cellule del fegato. Lemon e colleghi hanno deciso di esplorare ulteriormente questo meccanismo.
Spesso i ricercatori possono imparare molto sui processi cellulari rimuovendo componenti dalle cellule per vedere cosa succede (o non succede). Per esplorare il ruolo di PDAP1 nell’epatite A e nella risposta integrata allo stress, il gruppo di ricerca ha prima “eliminato” o rimosso PDAP1 dalle cellule epatiche in coltura utilizzando una coppia molecolare di “forbici” chiamata CRISPR-Cas9. Hanno anche eliminato il gene per PDAP1 in un modello murino di epatite A.
Quando esposte al virus, le cellule del fegato prive di PDAP1 non erano in grado di supportarne la replicazione. I topi erano inoltre completamente resistenti all’infezione da epatite A. Senza PDAP1, il virus non era in grado di sfruttare il ruolo della proteina nella risposta allo stress e non poteva produrre le proprie proteine necessarie per la propria replicazione.
Collegata a questa scoperta è stata una nuova comprensione della risposta integrata allo stress fatta dai ricercatori. Quando esposti a una tossina, i topi privi di PDAP1 non sono riusciti a generare la consueta risposta allo stress. Le cellule epatiche carenti di PDAP1 hanno attivato i geni responsabili della risposta integrata allo stress, ma non sono state in grado di produrre le proteine che codificano. Questi risultati hanno mostrato che PDAP1 svolge un ruolo cruciale ma precedentemente sconosciuto nella sopravvivenza delle cellule epatiche stressate.
Queste due importanti scoperte hanno portato i ricercatori a concludere che PDAP1 non è solo una pedina utilizzata dal virus dell’epatite A per replicarsi, ma anche un attore chiave nel mantenere la capacità delle cellule epatiche di produrre proteine cellulari essenziali per la sopravvivenza in condizioni di grave stress metabolico o infettivo.
“Ora sappiamo che questa proteina fa parte di un programma speciale utilizzato dalle cellule per esprimere un certo sottoinsieme di proteine in condizioni di stress”, ha affermato Lemon. “L’epatite A può usurpare questo programma – questa proteina – per far sì che le proprie proteine si replichino e infettino con successo le cellule del fegato. Abbiamo scoperto che quando eliminiamo PDAP1, il virus non può più trarre vantaggio da questo programma speciale e non può replicarsi o causare infiammazione al fegato.”
PDAP1, malattie infettive e cancro
Con le maggiori conoscenze su PDAP1 e il suo ruolo nella risposta integrata allo stress, Lemon si aspetta che i biologi cellulari che studiano la produzione di proteine e la sopravvivenza cellulare in periodi di stress eccessivo si avvarranno delle nuove scoperte e studieranno PDAP1 in modo più approfondito.
Poiché la risposta integrata allo stress è un regolatore chiave del destino delle cellule, gestendo l’equilibrio tra morte cellulare e sopravvivenza, viene spesso sfruttata dalle cellule tumorali per promuovere la loro proliferazione. Questo studio più recente mostra che studiando come funziona un virus, i ricercatori possono imparare di più sui meccanismi cellulari rilevanti non solo per le malattie infettive, ma anche per le malattie metaboliche e il cancro.
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