CRISPR-Immagine credit public domain
Ogni creatura vivente sulla Terra ha bisogno di proteggersi da ciò che potrebbe danneggiarla. I batteri non fanno eccezione. E nonostante la loro relativa semplicità, mettono in atto strategie difensive straordinariamente ingegnose contro gli invasori virali. La più nota è CRISPR-Cas9, adattata per uso umano come prima tecnica di editing genetico approvata dalla FDA.
Nell’ultimo anno, i ricercatori del Laboratorio di Batteriologia del Rockefeller Center, guidato da Luciano Marraffini e del Laboratorio di Biologia Strutturale del MSKCC, guidato da Dinshaw Patel, hanno studiato componenti immunitarie chiave di alcuni sistemi CRISPR, chiamati effettori CARF. Queste armi di recente scoperta adottano approcci diversi per raggiungere lo stesso obiettivo: arrestare l’attività cellulare, impedendo al virus di diffondersi nel resto della popolazione batterica.
In una recente pubblicazione su Science, gli scienziati annunciano il nuovo effettore CARF da loro scoperto, che hanno chiamato Cat1. Grazie a una struttura molecolare insolitamente complessa, questa proteina può esaurire un metabolita essenziale per le funzioni cellulari. Rimasto senza carburante, i piani dell’invasore virale per un ulteriore attacco si bloccano bruscamente.
“Il lavoro collettivo dei nostri laboratori sta rivelando quanto siano efficaci e diversi questi effettori CARF”, afferma Marraffini. “La gamma delle loro attività molecolari è davvero sorprendente“.
Sistemi di difesa multipli
CRISPR è un meccanismo presente nel sistema immunitario adattativo di batteri e altri organismi unicellulari che offre protezione contro i virus, chiamati fagi. I sei tipi di sistemi CRISPR funzionano più o meno allo stesso modo: un RNA CRISPR identifica il codice genetico estraneo, che attiva un enzima cas per mediare una risposta immunitaria, spesso eliminando il materiale invasore.
Ma un numero crescente di prove indica che i sistemi CRISPR implementano un’ampia varietà di strategie difensive che vanno oltre le forbici genetiche. Il laboratorio di Marraffini ha aperto la strada a gran parte di questa ricerca. In particolare, ha studiato una classe di molecole nei sistemi CRISPR-Cas10 chiamate effettori CARF, proteine che si attivano in seguito all’infezione fagica di un batterio.
Si ritiene che l’immunità effettrice CARF agisca creando un ambiente inospitale per la replicazione virale. Ad esempio, l’effettore CARF Cam1 causa la depolarizzazione della membrana di una cellula infetta, mentre Cad1 innesca una sorta di fumigazione molecolare, inondando la cellula infetta con molecole tossiche.
Congelamento metabolico
Per lo studio attuale, i ricercatori hanno voluto cercare di identificare ulteriori effettori CARF. Hanno utilizzato Foldseek, un potente strumento di ricerca di omologie strutturali, per trovare Cat1.
Hanno scoperto che Cat1 viene avvisato della presenza di un virus tramite il legame di molecole messaggere secondarie chiamate tetraadenilato ciclico, o cA 4 , che stimolano l’enzima a scindere un metabolita essenziale nella cellula chiamato NAD + .
“Una volta scissa una quantità sufficiente di NAD + , la cellula entra in uno stato di arresto della crescita”, afferma il co-primo autore Christian Baca, studente laureato presso il TPCB nel laboratorio Marraffini. “Con la funzione cellulare in pausa, il fago non può più propagarsi e diffondersi al resto della popolazione batterica. In questo modo, Cat1 è simile a Cam1 e Cad1 in quanto forniscono tutti immunità batterica a livello di popolazione“.
Complessità unica
Ma mentre la sua strategia immunitaria potrebbe essere simile a quella di questi altri effettori CARF, la sua forma non lo è, come ha rivelato il co-primo autore Puja Majumder, ricercatore post-dottorato presso il Patel Lab, attraverso un’analisi strutturale dettagliata mediante crio-EM.
Ha scoperto che la proteina Cat1 ha una struttura sorprendentemente complessa in cui i dimeri di Cat1 sono incollati dalla molecola segnale cA4 , formando lunghi filamenti in caso di infezione virale e intrappolando i metaboliti NAD + all’interno di tasche molecolari appiccicose. “Una volta che il metabolita NAD + viene scisso dai filamenti di Cat1, non è più disponibile per la cellula“, spiega Majumder.
“Ma la singolare complessità strutturale della proteina non si ferma qui“, aggiunge. “I filamenti interagiscono tra loro per formare fasci a spirale trigonale, e questi fasci possono poi espandersi per formare fasci a spirale pentagonale”, afferma. Lo scopo di questi componenti strutturali resta da indagare.
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Un altro aspetto insolito è il fatto che Cat1 sembri spesso agire da solo. “Normalmente nei sistemi CRISPR di tipo III, si hanno due attività che contribuiscono all’effetto immunitario“, afferma Baca. “Tuttavia, la maggior parte dei batteri che codificano per Cat1 sembra fare affidamento principalmente su Cat1 per il proprio effetto immunitario”.
Spiegano gli autori:
“I sistemi CRISPR-Cas di tipo III difendono dalle infezioni virali nei procarioti utilizzando un complesso guidato da RNA che riconosce trascrizioni estranee e sintetizza messaggeri oligoadenilati ciclici (cOA) per attivare gli effettori immunitari CARF. Qui abbiamo studiato una proteina contenente un dominio recettore Toll/interleuchina-1 (TIR) fuso con il dominio CARF, Cat1. Abbiamo scoperto che Cat1 fornisce immunità scindendo e depletando le molecole NAD + dall’ospite infetto, inducendo un arresto della crescita che impedisce la propagazione virale. Cat1 forma dimeri che si impilano l’uno sull’altro per generare lunghi filamenti mantenuti dai ligandi cOA legati, con domini TIR impilati che formano i siti catalitici per il clivaggio del NAD + . Inoltre, i filamenti di Cat1 si assemblano in reti trigonali e pentagonali uniche che migliorano la degradazione del NAD + . Cat1 presenta una chimica senza precedenti e un assemblaggio proteico di ordine superiore per la risposta CRISPR-Cas”.
Marraffini afferma che queste scoperte pongono nuovi e intriganti interrogativi. “Sebbene credo che abbiamo dimostrato il quadro generale – ovvero che gli effettori CARF sono efficaci nel prevenire la replicazione dei fagi – abbiamo ancora molto da imparare sui dettagli di come lo fanno. Sarà affascinante vedere dove ci porterà questo lavoro“.
Fonte: Science