Descoperirea surprinzătoare a unei noi căi guvernate de proteina de semnalizare Notch deschide ușa pentru o mai bună dezvoltare a medicamentelor
De Lindsay Brownell
(BOSTON) – În fiecare minut, un galon și jumătate de sânge pulsează prin rețeaua de vene și artere a organismului. Forța acestui flux sanguin ajută la menținerea sănătății celulelor care căptușesc vasele de sânge, numite celule endoteliale; atunci când fluxul sanguin este întrerupt, cum ar fi în timpul procedurilor chirurgicale sau al unui accident vascular cerebral, vasele încep să curgă, ceea ce poate provoca o serie de reacții inflamatorii care duc la deteriorarea celulelor și la boli. Oamenii de știință de la Institutul Wyss din cadrul Universității Harvard și-au propus să rezolve misterul modului în care fluxul sanguin menține vasele intacte și, spre surprinderea lor, au descoperit o cale de semnalizare celulară complet nouă, care este o țintă promițătoare pentru medicamente care să trateze o varietate de afecțiuni debilitante.
„Am descoperit că binecunoscuta proteină Notch este responsabilă de împiedicarea scurgerilor vaselor de sânge și face acest lucru printr-o cale de semnalizare secundară care funcționează într-o manieră complet diferită de calea sa cunoscută bazată pe transcripție”, spune Chris Chen, M.D., Ph.D., membru asociat al facultății Institutului Wyss și director fondator al Centrului de proiectare biologică și profesor distins de inginerie biomedicală la Universitatea din Boston, care este autorul corespondent al lucrării. „Nu numai că această nouă cale este interesantă din perspectiva descoperirii, dar ar putea ameliora unele dintre efectele secundare ale medicamentelor oncologice și cardiovasculare pentru a le face mai sigure și mai eficiente.” Studiul este publicat astăzi în Nature.
Celulele endoteliale care căptușesc vasele de sânge sunt strâns legate între ele prin conexiuni numite joncțiuni aderențiale pentru a forma o barieră care menține sângele în interiorul vasului și reglează cât de ușor pot trece alte substanțe în și din el. Pentru a studia această barieră și a determina de ce lipsa fluxului de sânge determină scurgerea acesteia, cercetătorii au construit un model de vas de sânge pe un cip format dintr-un canal căptușit cu un strat de celule endoteliale umane înconjurate de matrice extracelulară în cadrul unui dispozitiv microfluidic, care le-a permis să simuleze și să controleze cu ușurință fluxul de sânge printr-un vas și să evalueze răspunsurile celulelor.
Celele endoteliale care au experimentat fluxul de sânge au prezentat o activitate crescută a proteinei transmembranare Notch1, în timp ce celulele expuse la sânge static nu au făcut acest lucru. Atunci când cercetătorii au adăugat o substanță chimică care blochează activarea Notch1 prin împiedicarea desprinderii domeniului său intracelular, au observat că vasul a început să aibă scurgeri, ceea ce au stabilit că este cauzat de întreruperea joncțiunilor adherens între celulele endoteliale vecine și de reorganizarea fibrelor de actină în interiorul fiecărei celule. Acest lucru a confirmat faptul că activarea lui Notch1 de către fluxul sanguin este necesară pentru formarea și menținerea barierei endoteliale a vaselor de sânge.
În mod curios, împiedicarea domeniului intracelular al lui Notch1 de a iniția transcrierea după detașare (care este mecanismul de acțiune bine stabilit al lui Notch1) nu a făcut ca vasele să aibă scurgeri, ceea ce implică faptul că o altă parte a proteinei a cărei funcție nu implică transcrierea răspundea la fluxul sanguin. Această suspiciune a fost întărită de experimentele in vivo în care oamenii de știință au injectat șoareci cu o substanță chimică care bloca Notch1 împreună cu un colorant albastru și au văzut că colorantul s-a scurs din vasele de sânge ale șoarecilor tratați într-un ritm mult mai rapid decât era de așteptat. „Transcrierea unei gene într-o proteină care apoi îndeplinește o anumită funcție în interiorul celulei durează, în general, aproximativ două ore, dar noi am observat scurgeri în 30 de minute, ceea ce sugerează în continuare că orice proces care controlează permeabilitatea barierei funcționează printr-un mecanism complet diferit”, spune Bill Polacheck, doctor în științe, cercetător postdoctoral la Institutul Wyss și coautor al lucrării.
După ce au stabilit că domeniul intracelular nu era implicat în reglarea barierei endoteliale, oamenii de știință au scanat alte părți ale Notch1 pentru activitate. Ei au folosit CRISPR/Cas-9 pentru a șterge diferite secțiuni ale genei Notch1 și au descoperit că ștergerea secțiunii care codifică domeniul intracelular nu a avut niciun efect asupra permeabilității, în timp ce ștergerea și a micului domeniu transmembranar (TMD) a determinat creșterea scurgerilor din vase în condiții de flux. „Aceasta este prima dată când a fost evaluată funcția biologică a TMD-ului Notch”, spune Matthew Kutys, doctor în științe, cercetător invitat la Institutul Wyss și coautor principal. „S-a presupus în mare parte că este inert și că dispare pur și simplu după activare, iar cele mai multe manuale și lucrări de cercetare nici măcar nu îl prezintă ca o porțiune distinctă a receptorilor Notch”. Prin teste suplimentare, ei și-au dat seama că, atunci când Notch1 este activat și domeniul său intracelular este eliberat, TMD-ul său asamblează un complex în membrană cu proteinele VE-cadherină, Rac1, LAR și Trio, care, în mod colectiv, asamblează și mențin joncțiunile adherens între celule și distribuie fibrele de actină împotriva membranei celulare pentru a susține aceste joncțiuni.
„În retrospectivă, am aruncat zarurile cu acest proiect, deoarece, alegând să investigăm Notch, am intrat într-unul dintre cele mai aglomerate domenii de cercetare din biologie. Dar abordarea noastră bazată pe inginerie ne-a permis să o studiem într-un mod nou, fără influența sau părtinirea lucrărilor anterioare, ceea ce cred că este ceea ce ne-a făcut să fim suficient de deschiși la minte pentru a observa și caracteriza această cale nouă și neașteptată”, spune Polacheck. „Faptul că știm că Notch1 reglează adeziunea celulară pe lângă diferențierea celulară oferă, de asemenea, un nou cadru pentru înțelegerea coordonării proceselor celulare complexe, în sensul că moleculele unice precum Notch pot juca roluri multiple”, adaugă Kutys.
Dezvăluirea faptului că Notch1 îndeplinește diferite funcții și cunoașterea părților proteinei care guvernează fiecare funcție permite dezvoltarea de noi medicamente care să fie atât mai eficiente, cât și mai puțin toxice. „Notch este o țintă pentru unele terapii împotriva cancerului, dar se știe că aceste medicamente cauzează edeme și alte probleme. Acum, lucrăm în mod activ la separarea celor două căi ale lui Notch, astfel încât să putem crea medicamente care să vizeze doar domeniul intracelular, cruțând TMD și păstrând astfel integritatea vaselor de sânge”, spune Karen Hirschi, doctor în medicină și profesor de medicină și genetică la Școala de Medicină din Yale, care a colaborat la acest studiu. Știind că Notch guvernează permeabilitatea vaselor, Notch devine un candidat pentru noi medicamente pentru tratarea bolilor cardiovasculare, iar echipa investighează, de asemenea, TMD ca potențial agent terapeutic, deoarece modelele celulare expuse la o inflamație care induce scurgeri au prezentat o reducere dramatică a scurgerilor atunci când au fost modificate pentru a exprima TMD.
„Colaborările pe care Institutul Wyss le permite și le alimentează între domenii disparate, cum ar fi ingineria mecanică și biologia moleculară, favorizează noi abordări ale unor probleme vechi care pot duce la rezultate care schimbă cu adevărat paradigma”, spune Donald Ingber, M.D. Ph.D., director fondator al Institutului Wyss și profesor Judah Folkman de biologie vasculară la Harvard Medical School și la programul de biologie vasculară de la Boston Children’s Hospital, care este, de asemenea, profesor de bioinginerie la Harvard Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). „Acest studiu este un prim exemplu al beneficiilor pe care aceste tipuri de parteneriate le pot oferi științei și societății.”
Alți autori ai studiului sunt: Jinling Yang, Ph.D., cercetător postdoctoral la Institutul Wyss; Jeroen Eyckmans, Ph.D., fost bursier postdoctoral Wyss și actual șef de grup la Universitatea din Boston; Yinyu Wu, student absolvent al Departamentului de Genetică de la Yale; și Hema Vasavada, manager de laborator la Școala de Medicină din Yale.
Această cercetare a fost susținută prin granturi de la National Institutes of Health (NIH), National Science Foundation (NSF), un premiu Ruth L. Kirchstein National Research Service Award, The Hartwell Foundation și Wyss Institute de la Universitatea Harvard.
- PUBLICARE – Nature: Un complex Notch necanonic reglează joncțiunile aderente și funcția de barieră vasculară
.