Noile descoperiri structurale contestă concepțiile anterioare privind pătrunderea malariei
De aproape jumătate de secol, oamenii de știință au știut că paraziții malariei pătrund în celulele roșii din sângele uman printr-o structură în formă de inel numită joncțiune mobilă. Ceea ce nu era clar era rolul exact al acestei structuri. Aceasta se formează, își îndeplinește funcția și dispare în mai puțin de 60 de secunde, rămânând invizibilă pentru observare detaliată.
O echipă de la Universitatea Columbia a reușit acum să surprindă joncțiunea mobilă în acțiune. Prin înghețarea paraziților la începutul invaziei și extragerea complexului intact din celulă, cercetătorii au obținut prima imagine tridimensională de înaltă rezoluție a structurii sale. Descoperirile lor au contestat o presupunere veche de decenii privind modul în care parazitul pătrunde în celulă. Joncțiunea mobilă, mai degrabă decât a fi o poartă pasivă, s-a dovedit a fi o mașină moleculară care remodela activ membrana celulei gazdă pentru a ajuta parazitul să pătrundă.
Rezultatele, publicate astăzi în revista Cell, detaliază modul în care echipa a obținut această structură și cum au folosit-o ca plan pentru a proiecta o mini-proteină, de la zero, care blochează invazia, demonstrând astfel un concept pentru un nou tip de medicament antimalaric.
Malaria ucide în continuare aproximativ 600.000 de persoane pe an, majoritatea fiind copii mici din Africa sub-sahariană, iar parazitul devine constant rezistent la medicamentele de primă linie. Boala începe cu un singur eveniment: un parazit care pătrunde într-o celulă roșie din sânge. La o persoană infectată, trilioane de paraziți sunt eliberați și invadează la fiecare 48 de ore în valuri sincronizate. Acest ciclu ritmic de rupere și reinvazie generează febrele periodice caracteristice malariei. Aceeași mașinărie a joncțiunii mobile este utilizată în toate speciile și în toate etapele ciclului de viață al parazitului, ceea ce o face un obiectiv de mare interes în cercetarea malariei. Blochează-o și oprește infecția de la sursă.
„Am știut de decenii că această structură este esențială pentru ca parazitul să pătrundă într-o celulă, dar nu știam cum funcționează de fapt. Extracția directă a acesteia din parazit ne-a permis să adresăm în sfârșit această întrebare direct”, a spus Chi-Min Ho, profesor asistent în Departamentul de Microbiologie și Imunologie de la Colegiul de Medicină și Chirurgie Vagelos, Universitatea Columbia.
Joncțiunea mobilă a fost o enigmă din 1978, când oamenii de știință au observat pentru prima dată o îngroșare misterioasă a membranei acolo unde parazitul se întâlnea cu celula, în imaginile de microscopie electronică. Cercetătorii au identificat ulterior cele patru proteine ale parazitului care se asamblează în blocul de bază al joncțiunii, cunoscute sub numele de AMA1, RON2, RON4 și RON5, confirmând că toate sunt esențiale pentru invazie. Totuși, rolul exact al structurii a rămas necunoscut, deoarece aceasta supraviețuiește mai puțin de 60 de secunde și refuză să se reassembleze într-un tub de testare.
Echipa de la Columbia a depășit această problemă prin oprirea invaziei în mijlocul procesului. Folosind un compus care oprește motorul intern al parazitului fără a împiedica formarea joncțiunii, au încetinit paraziții pe parcursul pătrunderii în celulele roșii, apoi au extras complexul AMA1-RON complet asamblat – blocul de construcție din care este construită întreaga joncțiune – și l-au imaginat prin microscopie electronică criogenică, o tehnică în care moleculele sunt înghețate rapid și imaginile sunt capturate cu un fascicul de electroni la amplificări extrem de ridicate pentru a dezvălui forma lor în detaliu atomic.
Rezultatul a fost o imagine tridimensională clară a blocului de construcție. Cercetătorii au observat că acesta are o formă care amintește de un velier, cu proteina AMA1 formând o „pânză” deasupra suprafeței celulei și cele trei proteine RON formând un „corp” lat apăsat împotriva membranei de dedesubt.
Cel mai mare surpriză a fost în corp, unde echipa a găsit indicii care sugerează rolul joncțiunii mobile în invazie. Fața structurii care apasă pe membrana gazdă este acoperită cu ancore pozitive, iar suprafața este punctată cu helicele scurte care pătrund adânc în membrană ca niște cuie. Ambele caracteristici sunt recunoscute ca fiind semne distinctive ale unei familii bine cunoscute de mașini celulare care îndoaie și remodelază membrane.
Pentru a testa dacă structura poate într-adevăr să deformeze o membrană, cercetătorii au sintetizat helicele parazitului sub formă de cuie și le-au adăugat la bule artificiale de membrană. Membranele s-au subțiat și s-au perforat. Între timp, versiunile slăbite ale helicelor au lăsat bulele intacte. Echipa a concluzionat că joncțiunea mobilă pare să tragă membrana gazdei în formă, lucrând probabil în concert cu motorul parazitului pentru a forța parazitul în interior.
„A fost imaginată ca o serie de agrafe sau suduri punctuale, formând un inel pasiv prin care parazitul se trage”, a declarat Meseret Haile, autorul principal al studiului. „Ceea ce vedem în schimb este o mașină construită pentru a remodela membrana proprie a celulei gazdă. Acest lucru schimbă modul în care privim întregul eveniment.”
Pe lângă faptul că a dezvăluit în sfârșit cum joncțiunea mobilă permite parazitului să invadeze, structura le-a oferit cercetătorilor și o hartă precisă a locului și modului în care AMA1 se leagă de proteina partener, contactul care menține întreaga joncțiune unită. Folosind un instrument de proiectare a proteinelor bazat pe învățarea automată împreună cu informațiile structurale, cercetătorii au proiectat o mini-proteină pentru a rupe acest contact. Candidatul lor cel mai promițător a blocat paraziții din a pătrunde în celulele roșii într-un mod dependent de dozare și nu a afectat celulele deja infectate, confirmând că acționează specific prin oprirea intrării, mai degrabă decât prin toxicitate generală.
Mini-proteina proiectată este o primă dovadă de concept, nu un medicament, și va necesita rafinament considerabil înainte de a putea fi testată pe oameni. Totuși, demonstrează o strategie nouă interesantă: utilizarea structurilor aproape native pentru a proiecta mini-proteine care blochează invazia împotriva unei ținte care a frustrat abordările convenționale. Aceeași structură clarifică de asemenea modul în care funcționează câteva dintre cele mai avansate anticorpi antimalarici, informații care ar putea influența designul vaccinurilor.
„Odată ce am putut vedea ținta în contextul său real, proiectarea a ceva pentru a o bloca a devenit o problemă gestionabilă”, a afirmat Daphne Kaxiras, student
