211service.com
Il detective della cella
Le tue cellule sono piccoli chiacchieroni che non possono tenere una cosa per sé. Raccontano le loro attività quotidiane affinché tutti possano ascoltarle: ogni dolore e dolore o andare e venire. Con le cellule, tutto è in superficie.
Hidde Ploegh è un professore di biologia del MIT e membro del Whitehead Institute for Biomedical Research. (Fotografia di Sam Ogden).
Ed è anche una buona cosa, perché il sistema immunitario, come un genitore iperprotettivo, ha bisogno di sentire esattamente cosa sta succedendo per assicurarsi che siamo al sicuro. Il metodo di comunicazione preferito dalle cellule è quello di visualizzare bandiere molecolari sulle loro membrane. Tali flag consentono al sistema immunitario di sapere se una cellula è stata infettata da un virus o è diventata cancerosa. Ma alcuni virus possono imbavagliare le cellule in modo che il sistema immunitario non abbia idea di cosa stia succedendo.
Hidde Ploegh, un professore di biologia del MIT e membro del Whitehead Institute for Biomedical Research, vuole sapere come lo fanno. Nel suo laboratorio, i ricercatori si stanno concentrando sulle tattiche che virus e batteri usano per mettere a tacere le cellule. Pensiamo che esaminando da vicino questi virus [e batteri], possiamo dare un'occhiata non solo alle loro funzioni evasive, ma anche al funzionamento del sistema immunitario sano, afferma Ploegh.
Le cellule del sistema immunitario includono molti tipi di cellule killer, di memoria e di chiacchiere collegate attraverso complesse reti di comunicazione. Le malattie umane più mortali, tra cui la tubercolosi, l'HIV e il cancro, sono molto brave a nascondere la loro presenza al sistema immunitario. Il modo esatto in cui lo fanno non è ben compreso: ci sono molti punti nelle reti in cui una malattia potrebbe interrompere o distruggere un segnale.
Ploegh è particolarmente interessato agli herpesvirus, una grande e antica famiglia di virus, di cui otto infettano gli esseri umani, perché molti di loro possono interrompere il processo di comunicazione prima che inizi, impedendo che le cellule chiacchierone si alzino. Questa famiglia ha sviluppato una serie di trucchi con i quali frustra l'intero processo, dice.
Ciò che Ploegh trova particolarmente affascinante degli herpesvirus è che, a differenza della maggior parte degli altri microbi che causano malattie, una volta che ti infettano, non scompaiono mai. Ciò che questi virus hanno imparato, dice, non è solo come infettare l'ospite e nascondersi al suo interno, ma anche come riattivarsi dal loro stato latente, causando febbre, piaghe e altri sintomi a volte anni e anni dopo. Il virus esce allo scoperto di fronte a un sistema immunitario che sa già della sua presenza, e può ancora emergere ed essere trasmesso al prossimo ospite. Questo è un insieme di strategie piuttosto notevole.
In particolare, Ploegh si è concentrato su un herpesvirus chiamato citomegalovirus umano (HCMV), che è così diffuso che dal 50 all'80% degli americani lo ospita all'età di 40 anni. Le persone infette di solito non hanno sintomi, ma il virus può causare infiammazione agli occhi, insufficienza epatica e morte in persone con sistema immunitario compromesso, come i pazienti con AIDS.
La ricerca di Ploegh ha dimostrato che l'HCMV è tra gli herpesvirus che possono mascherarsi impedendo alle cellule che infettano di mostrare i loro segnali molecolari al sistema immunitario. Tutte le cellule umane, infette o meno, di solito mostrano sulle loro superfici campioni in costante rotazione delle proteine prodotte all'interno. Le cellule del sistema immunitario note come linfociti T killer circolano attraverso il sangue e il sistema linfatico per leggere questi campioni. Se una cellula mostra un frammento di una proteina normalmente non prodotta da cellule sane, come una proteina cancerosa o una proteina virale, i linfociti T killer che vagano lo rileveranno e uccideranno la cellula. Potresti considerare questo il sistema di allerta precoce mediante il quale il linfocita T sa cosa sta succedendo nel profondo di una cellula, dice Ploegh. Se il virus potesse disarmare quel sistema di allerta precoce, sarebbe temporaneamente invisibile alle cellule T killer.
Il gruppo di Ploegh ha scoperto che è esattamente così che funziona HCMV: prende di mira la proteina che trasporta frammenti di altre proteine fino alla superficie cellulare per la visualizzazione. La proteina trasportatrice, chiamata MHC di classe I, funziona come portabandiera della cellula. Si blocca nel punto della cellula in cui le proteine vengono prodotte e distrutte, afferrando qualsiasi frammento trova e sollevandoli sulla superficie cellulare. I ricercatori nel laboratorio di Ploegh hanno isolato un gruppo di geni HCMV che distruggono o trattengono l'MHC.
Questo lavoro sta dando agli immunologi una sbirciatina nel bagaglio di trucchi degli herpesvirus e illumina le attività quotidiane delle normali cellule umane. Il virus ha dirottato quello che ora crediamo sia un percorso essenziale per il controllo della qualità delle proteine, afferma Ploegh. Le cellule sono molto attente quando copiano il loro DNA, perché eventuali errori verranno trasmessi alle generazioni future. Ma la produzione di proteine è sciatta, con un tasso di errore di circa il 10 percento. Quella spazzatura deve essere ripulita dalla cella, dice Ploegh; infatti, parte del processo di sintesi è anche la rottura dei disadattati. I biologi non sono sicuri di come vengano riconosciute le proteine disadattate, ma una volta che lo sono, ricevono un passaggio che le consente di entrare in un proteasoma, che Ploegh paragona a un tritacarne. Dopo essere uscite da un proteasoma, le proteine macinate, siano esse virali o proprie della cellula, passano nel compartimento in cui l'MHC è in agguato, dopodiché le fa precipitare in superficie per l'ispezione da parte dei linfociti T.
Ploegh e i suoi studenti hanno studiato due geni HCMV nelle cellule umane e hanno dimostrato che entrambi possono interrompere il processo di attivazione della bandiera. Piuttosto che lavorare con le cellule infette, puoi semplicemente installare nella tua cellula questo singolo gene e vedere l'intero percorso svolgersi, dice.
Joana Loureiro, una studentessa laureata dell'Università di Lisbona in Portogallo che sta conducendo la sua ricerca di dottorato nel laboratorio di Ploegh, sta studiando uno di questi geni, chiamato US2 (l'altro, chiamato US11 , ha effetti simili). Usando una tecnica chiamata pulse-chase, Loureiro può tracciare MHC, US2 è vittima. In primo luogo, inonda, o pulsa, cellule umane con blocchi di proteine marcate radioattivamente, così tanti che gli MHC prodotti durante il periodo di impulso saranno prevalentemente radioattivi e tracciabili. Quindi insegue il primo set di elementi costitutivi con un secondo set senza etichetta. Loureiro può quindi tracciare un gruppo di proteine prodotte solo durante un certo periodo. Questo le permette di vedere i tempi degli eventi: in presenza del viral US2 proteina, l'MHC fuoriesce dal suo solito compartimento e viene quindi masticato dal tritacarne della cellula.
HCMV ha altri modi per disabilitare l'MHC, ad esempio proteine che semplicemente lo trascinano verso il basso come un'ancora in modo che non possa raggiungere la superficie cellulare. Ma Ploegh dice che l'esempio più spettacolare dell'ingegnosità del virus è quello che Loureiro sta studiando, in cui il virus rivolge contro se stesso il meccanismo di controllo della qualità della cellula. Il laboratorio di Ploegh ha dimostrato che HCMV può disabilitare MHC letteralmente in pochi minuti; la cellula infetta semplicemente non ha tempo per inviare un avvertimento al sistema immunitario.
L'HCMV potrebbe imitare un normale meccanismo di elaborazione delle proteine negli organismi, dal lievito all'uomo. I lieviti, quei funghi più semplici il cui funzionamento genetico si è dimostrato molto simile al nostro, contengono geni che definiscono percorsi simili a quelli utilizzati da US2 e US11 nelle cellule umane. Questa somiglianza, dice Ploegh, suggerisce un collegamento che può essere stabilito tra la fuga dal rilevamento del sistema immunitario da parte dei virus e percorsi normali molto basilari. Aggiunge, Pensiamo ai percorsi utilizzati da US2 e US11 sono emblematici di come la tua tipica cellula di mammifero si occupa della spazzatura proteica. Studiando come le proteine umane native aiutano la proteina virale a distruggere l'MHC, Loureiro spera di scoprire come funziona il normale percorso.
Lisa Kattenhorn, una studentessa laureata della Harvard Medical School nel laboratorio di Ploegh, ha scoperto un altro meccanismo di occultamento. Per essere visualizzate sulla superficie cellulare dall'MHC, le proteine virali devono prima passare attraverso i grinder del proteasoma. Ma per entrare in un proteasoma, le proteine hanno bisogno di un passaggio speciale chiamato ubiquitina; senza questo controllo, qualsiasi proteina potrebbe andare nel macinino e la cellula alla fine morirebbe. Kattenhorn ha scoperto che una delle prime proteine ad entrare in una cellula durante l'infezione da un herpesvirus è un enzima in grado di rimuovere l'ubiquitina dalle proteine virali. Nessuna ubiquitina significa nessun frammento di proteina virale da visualizzare per MHC, quindi è probabile che l'infezione sia invisibile alle cellule T killer. Tutti gli herpesvirus hanno questo enzima, quindi Kattenhorn spera che il suo lavoro possa portare a una terapia ampiamente applicabile.
Sebbene Kattenhorn sia una virologa, il suo lavoro si basa su sonde fatte dai chimici nel laboratorio di Ploegh. Howard Hang, un postdoc in chimica che lavora con Ploegh, descrive queste sonde come esche per estrarre le proteine in modo che possano essere esaminate in dettaglio. Ogni sonda ha l'equivalente di una mosca da pesca che attira le proteine per abboccare, oltre a una lenza che può essere utilizzata per recuperarle. Le sonde di Kattenhorn, ad esempio, usano l'ubiquitina come esca per attirare gli enzimi che la rimuovono.
Queste sonde chimiche funzionano bene negli studi sulle parti della cellula minate dagli herpesvirus, ma non possono essere utilizzate nelle cellule vive, afferma Hang. Le sonde sono troppo grandi per entrare e uscire dalle cellule intatte, quindi le cellule devono essere polverizzate prima di essere esaminate. Hang sta progettando una sonda più piccola e più flessibile per eseguire studi di immagini dal vivo di Salmonella batteri in azione. Nelle cellule che infetta, Salmonella in qualche modo respinge le proteasi, enzimi che, come i proteasomi, scompongono le proteine. In questo modo impedisce alle sue proteine rivelatrici di raggiungere la superficie cellulare e di essere viste dalle cellule T. Ma Salmonella deve essere intatto e vivo per portare a termine questa impresa.
Ploegh sta usando altri tipi di tecniche di imaging di cellule vive per studiare le interconnessioni tra i vari rami del sistema immunitario. Sta anche studiando le cellule del sistema immunitario che operano a un livello più generale rispetto alle cellule T killer. Piuttosto che rispondere a un particolare ceppo di E. coli o al virus dell'herpes simplex di tipo 1, queste cellule riconoscono le minacce in categorie molto generali (batteri, virus o funghi) e agiscono rapidamente. I libri di testo fanno distinzioni nette tra questi due rami del sistema immunitario, ma nella vita reale sono intimamente connessi, afferma Ploegh. Funzionano su uno spettro continuo.
Durante un'infezione, un microbo cerca di moltiplicarsi e il suo ospite cerca di distruggerlo. Ecco gli inizi di una lunga battaglia, dice Ploegh. Studiando i piani di guerra degli herpesvirus e di altri microbi, dice Ploegh, sta cercando non un modo per curare una malattia specifica, ma una migliore comprensione di come funziona il sistema immunitario. E questa comprensione ci preparerà meglio a combattere qualsiasi malattia.