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Si esplora il recettore cellulare cruciale per la salute cardiovascolare

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Le malattie cardiovascolari restano una delle principali cause di morte nel mondo. Un contributo principale a queste afflizioni è l’ipertensione o l’ipertensione.

Sebbene esistano trattamenti per la condizione, che colpisce decine di milioni di americani, questi rimedi non sono privi di effetti collaterali e alcune varianti del disturbo sono resistenti al trattamento. La necessità di terapie più efficaci per affrontare la malattia correlata all’ipertensione è quindi acuta. L’illustrazione mostra una porzione del recettore pGC-A, noto come dominio extracellulare, che sporge dalle superfici cellulari del sistema cardiovascolare. Piccole molecole si legano al recettore ed esercitano un controllo sottile sulla pressione sanguigna . La nuova ricerca offre la prima anteprima del recettore a lunghezza intera, un passo fondamentale nello sviluppo di nuovi farmaci per il trattamento dell’ipertensione e di altre afflizioni.

Per raggiungere questo obiettivo, tuttavia, i biologi hanno bisogno di mappe più dettagliate dei meccanismi alla base della regolazione cardiovascolare. Uno di questi regolatori è un recettore proteico che si trova sopra le cellule cardiovascolari, fungendo da condotto per i messaggi che vengono trasmessi quando specifiche molecole ormonali si legano ad esse.

Conosciuto come pGC-A, questo recettore di membrana agisce un po’ come un termostato, regolando sensibilmente la pressione sanguigna del corpo per mantenere un equilibrio omeostatico essenziale per la salute. Il recettore agisce non solo come componente cellulare vitale per l’omeostasi vascolare e cardiaca, ma svolge anche un ruolo importante nel metabolismo dei lipidi ed è implicato nello sviluppo del cancro.

In un nuovo studio, pubblicato nell’attuale numero della rivista Scientific Reports , i ricercatori del Biodesign Center for Applied Structural Discovery dell’Arizona State University e i loro colleghi, in collaborazione con la Mayo Clinic, Rochester, compiono progressi fondamentali verso la rivelazione della struttura di pGC-A .

Lo studio fornisce la prima purificazione, caratterizzazione e analisi strutturale preliminare del recettore proteico a lunghezza intera . I progressi della ricerca includono la cristallizzazione della proteina e la dimostrazione che questi cristalli diffrangono i raggi X, due passaggi critici essenziali per risolvere la struttura.

Una comprensione più chiara di questo complesso recettore e dei suoi meccanismi di segnalazione apre la strada a una nuova suite di farmaci antipertensivi, che potrebbero aiutare a prevenire infarti e ictus e migliorare il recupero da questi incidenti.

“Questo risultato è la prima diffrazione di raggi X descritta per una nuova classe di recettori proteici di membrana e rappresenta uno sforzo straordinario da parte del nostro studente laureato, Shangji Zhang”, afferma la coautrice e ricercatrice di Biodesign Debbie Hansen. “Le strutture di classi uniche di proteine ??di membrana richiedono spesso anni di sforzi e sono costruite su simili progressi critici”.

Il coautore John C. Burnett Jr., del Dipartimento di Medicina Cardiovascolare, Mayo Clinic, Rochester, ha lavorato per sviluppare molecole candidate per nuovi farmaci anti-ipertensivi , basati sulla struttura del recettore pGC-A.

Minaccia al cuore

Secondo l’ Organizzazione Mondiale della Sanità , oltre un terzo di tutti i decessi nel mondo può essere attribuito a malattie cardiovascolari. L’ipertensione è tra i principali fattori che contribuiscono alla progressione delle malattie cardiovascolari.

L’onere dell’ipertensione è in costante aumento, risultando in una recente raccomandazione del Report of the National Heart, Lung and Blood Institute Working Group on Hypertension per “sviluppare nuovi farmaci e trattamenti per colpire diverse popolazioni di pazienti ipertesi, come i pazienti con ipertensione resistente .”

Le forme di ipertensione resistenti al trattamento, che sono più probabili nei pazienti con obesità, diabete o disfunzione renale, rappresentano il 12-15% dei pazienti ipertesi. Tali individui mostrano una risposta limitata o scarsa alle terapie esistenti. La condizione può svilupparsi quando i vasi sanguigni diventano calcificati e anelastici, perdendo la capacità di contrarsi e rilassarsi completamente. Studi clinici dimostrano che il trattamento della pressione alta riduce il rischio di ictus del 35-40% e il rischio di insufficienza cardiaca del 50%.

Le malattie cardiovascolari comprendono le cardiopatie reumatiche e congenite; malattia coronarica, cerebrale e arteriosa periferica; trombosi venosa profonda; ed embolia polmonare. La malattia coronarica, una delle principali cause di morte, si verifica quando il flusso sanguigno alle cellule del muscolo cardiaco è ridotto o ostruito, il che può portare a insufficienza cardiaca. Solo negli Stati Uniti, si prevede che la condizione aumenterà a $ 70 miliardi entro il 2030.

Nuove intuizioni iniziano a cristallizzarsi

Il recettore di membrana pGC-A esiste in tre forme primarie. Questa classe di recettori è così importante da comprendere la maggior parte dei bersagli farmaceutici. Per la maggior parte degli organismi, siano essi procarioti come batteri o eucarioti come mammiferi, un intero 20-30% del genoma è dedicato all’espressione delle proteine ??di membrana. Tali recettori sporgono dalla membrana cellulare esterna e penetrano in profondità all’interno della cellula, spesso agendo come condotti per segnali esterni che modificano il comportamento della cellula.

La progettazione di farmaci per indirizzare le proteine ??di membrana, tuttavia, richiede un progetto altamente dettagliato della struttura del recettore, di solito con risoluzione su scala atomica. Utilizzando queste informazioni, i progettisti di farmaci possono progettare un farmaco che si legherà in modo selettivo e preciso con il recettore cellulare, per produrre un determinato risultato.

Nel caso del pGC-A, le molecole leganti sono gli ormoni peptidici prodotti dalle cellule del sistema cardiovascolare. Conosciuti come ormoni peptidici natriuretici, si verificano in variazioni naturali e possono anche essere progettati sinteticamente, utilizzando la mutazione genetica. Parte dell’attività del recettore prevede la conversione del GTP in cGMP, una molecola essenziale per il normale funzionamento degli organi vitali.

“Il cuore non è solo una pompa, ma una ghiandola endocrina che produce un ormone altamente benefico chiamato peptide natriuretico atriale (ANP)”, afferma Burnett. “Questo ormone svolge un ruolo importante nella pressione sanguigna, nei reni e soprattutto nell’equilibrio metabolico”.

Scavando più a fondo

Ad oggi, è stata caratterizzata solo la componente extracellulare del recettore pGC-A. Il lavoro in corso è un passo importante verso la caratterizzazione della struttura a lunghezza intera, in particolare il dominio transmembrana e le regioni del dominio intracellulare funzionale, di cui attualmente si sa poco.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori utilizzano un metodo noto come espressione proteica del baculovirus. Il processo prevede la trasformazione delle cellule degli insetti in minuscole fabbriche di produzione di proteine. Le cellule degli insetti assomigliano alle cellule umane in termini di macchinari per l’elaborazione delle proteine, ma sono più facili ed economiche da coltivare rispetto alle cellule dei mammiferi. I vettori baculovirali consentono ai ricercatori di trasformare un virus di un insetto in un veicolo per fornire la ricetta genetica per una proteina.

Il processo prevede l’inserimento di un gene per trasformare il recettore in un tipo speciale di vettore o vettore di DNA noto come bacmid. Il bacmid ricombinante che trasporta il gene del recettore viene quindi utilizzato per infettare le cellule degli insetti, che iniziano a produrre baculovirus ricombinanti.

La proteina recettore pGC-A può quindi essere estratta, purificata e sottoposta a cristallografia a raggi X, per determinarne la struttura. Il processo è complicato, laborioso e soggetto a fallimenti per una serie di motivi. Solo un piccolo numero delle molte proteine ??di membrana esistenti è stato completamente caratterizzato, rendendo la caratterizzazione preliminare di pGC-A un risultato impressionante.

Il sistema di espressione delle cellule di insetto offre numerosi vantaggi per l’espressione proteica, in particolare nel caso di proteine ??di membrana come pGC-A. La tecnica rende più facile per i ricercatori estrarre le proteine ??di membrana correttamente ripiegate direttamente dalla membrana cellulare, rispetto all’espressione batterica di proteine ??mal ripiegate e non funzionali comuni con l’espressione tradizionale nei batteri Escherichia coli (E. coli).

Linea dell’orizzonte

“Questo è stato un risultato enorme”, dice Hansen. “Le proteine ??di membrana non sono banali da purificare, ed è stata anche in grado di ottenere la cristallizzazione della proteina e la diffrazione dei raggi X”.

Un’ulteriore purificazione e migliori dati di diffrazione consentiranno infine una caratterizzazione strutturale a livello atomico.

La ricerca apre le porte alla caratterizzazione dettagliata di altre proteine ??di membrana, che alla fine potrebbero trovare la loro strada in farmaci efficaci per controllare l’ipertensione e un’ampia gamma di altre condizioni mediche.

“Un obiettivo importante è sviluppare farmaci innovativi basati sull’ANP e sul suo recettore bersaglio negli esseri umani per trattare la pressione alta, l’insufficienza cardiaca e l’obesità”, afferma Burnett. “Il lavoro svolto dai team ASU e Mayo e riportato in Scientific Reports aiuta a svelare il segreto del bersaglio del recettore e accelererà lo sviluppo di nuovi farmaci e aiuterà davvero i pazienti di tutto il mondo”.

Petra Fromme, direttrice del Center for Applied Structural Discovery, che è l’autore senior di questo studio e ha servito come Ph.D. supervisore di Zhang, è entusiasta dell’alto impatto di questo lavoro.

“Le malattie metaboliche sono una delle minacce per la salute più importanti del 21° secolo, con diabete, ipertensione e malattie cardiache che uccidono milioni di persone ogni anno, e i numeri sono in aumento. Il lavoro sul recettore pGC-A ha il potenziale per sviluppare un farmaco efficace che riduca i sintomi senza gravi effetti collaterali”, ha detto.


Ulteriori informazioni: Shangji Zhang et al, Purificazione, caratterizzazione e cristallografia seriale preliminare, la diffrazione migliora la determinazione della struttura del recettore A della guanilil ciclasi del particolato umano a lunghezza intera, Scientific Reports (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-15798-z

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