Le cellule regolano i propri mattoni fondamentali: la doppia vita dell’enzima NUDT5 e le sue implicazioni nella cura dei tumori

La ricerca scientifica nel campo della biologia molecolare e della medicina sta vivendo una rivoluzione silenziosa ma profonda. Per decenni si è pensato che la funzione principale di un proteina identificata come enzima fosse esclusivamente quella catalitica, ovvero la capacità di accelerare o facilitare specifiche reazioni chimiche all’interno delle nostre cellule. Tuttavia, due studi scientifici pubblicati sulle prestigiose riviste Science e Nature Communications hanno svelato una realtà del tutto inaspettata.

Al centro di questa scoperta vi è la proteina NUDT5, tradizionalmente classificata come un enzima responsabile dell’idrolisi dei metaboliti. I ricercatori del CeMM Research Center for Molecular Medicine dell’Accademia Austriaca delle Scienze, in collaborazione con l’Università di Oxford e altri prestigiosi istituti internazionali, hanno dimostrato che NUDT5 svolge un ruolo cruciale nella regolazione del metabolismo cellulare e nella risposta ai farmaci antitumorali non attraverso la sua attività chimica, ma grazie alla sua pura e semplice presenza strutturale.

Questa scoperta stravolge il modo in cui concepiamo il funzionamento dei farmaci e apre nuove prospettive per superare la resistenza ai trattamenti chemioterapici nei pazienti affetti da leucemia e altre forme tumorali.

Il mistero del metabolismo delle purine e la regolazione dei mattoncini del DNA

Per comprendere appieno la portata di questa scoperta, occorre immergersi nell’incredibile macchinario che governa la vita di ogni singola cellula del nostro corpo. Le purine sono composti organici essenziali per l’esistenza, in quanto costituiscono i mattoni fondamentali per la costruzione del DNA e dell’RNA, oltre a rappresentare la principale fonte di energia cellulare attraverso molecole come l’ATP.

Le cellule possiedono due vie principali per procurarsi le purine: possono riciclarle da molecole già esistenti oppure fabbricarle da zero attraverso un processo complesso e ad alto consumo energetico chiamato sintesi de novo. Poiché la produzione da zero richiede un enorme sforzo energetico, la cellula deve monitorare costantemente i livelli di purine presenti al suo interno ed evitare di produrne in eccesso.

Fino ad oggi non era del tutto chiaro quale fosse il freno di emergenza che la cellula azionava quando i livelli di purine diventavano troppo elevati. Gli studi condotti sul gene MTHFD1, coinvolto nel metabolismo dei folati e direttamente legato alla sintesi delle purine, hanno portato a identificare l’interazione decisiva tra due proteine: l’enzima PPAT, che catalizza il primo passaggio fondamentale per la sintesi delle purine, e la proteina NUDT5.

Quando i livelli di purine nella cellula raggiungono una soglia elevata, la proteina NUDT5 si lega fisicamente all’enzima PPAT. Questo abbraccio molecolare blocca PPAT in una conformazione inattiva, spegnendo la produzione di nuove purine. La vera sorpresa è arrivata quando i ricercatori hanno disattivato chimicamente o geneticamente il sito catalitico di NUDT5, la zona dove avviene la reazione enzimatica. La proteina ha continuato a funzionare perfettamente come freno della sintesi delle purine. NUDT5 non agisce come reagente chimico, ma come una impalcatura molecolare che, con la sua sola struttura, blocca l’ingranaggio cellulare.

Inibire non basta: l’avvento della degradazione proteica mirata

La scoperta che la funzione di NUDT5 è legata alla sua presenza fisica e non alla sua attività enzimatica ha immediate ed enormi ripercussioni sulla farmacologia moderna. Tradizionalmente, la stragrande maggioranza dei farmaci viene progettata per agire come un inibitore: si tratta di piccole molecole che si incastrano nel sito attivo di un enzima per bloccare la sua reazione chimica.

Nel caso di NUDT5, la somministrazione di un inibitore convenzionale lascia la struttura della proteina del tutto intatta. Poiché la proteina è ancora fisicamente presente nella cellula, continua a svolgere la sua funzione di supporto strutturale e di freno metabolico, rendendo l’inibitore chimico del tutto inefficace.

Per superare questo ostacolo, i ricercatori dell’Università di Oxford e del CeMM hanno impiegato una tecnologia terapeutica d’avanguardia nota come degradazione proteica mirata (Targeted Protein Degradation). Invece di limitarsi a bloccare temporaneamente la funzione di una proteina, questa tecnica utilizza molecole chiamate degrada-proteine che contrassegnano la proteina bersaglio e spingono la cellula a distruggerla ed eliminarla completamente.

Gli scienziati hanno sviluppato la molecola dNUDT5, un degradatore altamente selettivo in grado di rimuovere del tutto la proteina NUDT5 dai tessuti cellulari. Confrontando l’effetto degli inibitori classici con quello della nuova molecola degrada-proteine, i risultati sono stati inequivocabili:

• L’inibizione chimica dell’attività enzimatica di NUDT5 non ha prodotto alcun cambiamento nel comportamento della cellula.

• La completa degradazione fisica di NUDT5 mediante la molecola dNUDT5 ha eliminato l’impalcatura molecolare, modificando radicalmente il metabolismo cellulare.

La rivincita della 6-tioguanina: nuove speranze contro la resistenza ai farmaci nella leucemia

I risvolti clinici di questa scoperta sono di fondamentale importanza per la cura dei tumori e, in particolare, per il trattamento della leucemia. Un farmaco storicamente utilizzato in oncologia è la 6-tioguanina (6-TG), un analogico delle purine che appartiene alla famiglia delle tiopurine. La 6-tioguanina funziona ingannando le cellule tumorali, le quali scambiano il farmaco per una purina naturale e lo incorporano all’interno del proprio DNA. Una volta inserita nella catena genetica, la molecola causa danni irreparabili al codice della cellula cancerosa, portandola alla morte.

Tuttavia, molti tumori sviluppano nel tempo una resistenza a questo farmaco, rendendo la chemioterapia inefficace. Lo studio pubblicato su Nature Communications ha dimostrato come la presenza o l’assenza di NUDT5 influenzi direttamente la sensibilità delle cellule tumorali alla 6-tioguanina.

Quando la proteina NUDT5 viene completamente degradata mediante la molecola dNUDT5, la cellula perde il controllo sulla sintesi delle purine e altera l’equilibrio dei propri metaboliti. Questo cambiamento rende le cellule resistenti agli effetti tossici della 6-tioguanina. Al contrario, la presenza integra della proteina garantisce la risposta corretta al trattamento farmaceutico.

Un ulteriore elemento di grande interesse risiede nella complessa interazione tra NUDT5 e un’altra proteina nota come NUDT15. Mentre la perdita o la carenza di NUDT15 aumenta la sensibilità delle cellule alla 6-tioguanina, provocando spesso effetti collaterali e tossicità nei pazienti, la rimozione di NUDT5 produce l’effetto opposto, generando resistenza. Questo delicato equilibrio dimostra che le risposte dei pazienti alle terapie antitumorali dipendono da una rete coordinata di impalcature molecolari, la cui comprensione permetterà di sviluppare terapie oncologiche personalizzate e decisamente più efficaci.

Un nuovo paradigma per la biologia e la medicina del futuro

Le scoperte emerse da queste ricerche segnano un cambio di paradigma nell’approccio alla ricerca biologica e allo sviluppo dei farmaci. Per decenni gli scienziati hanno catalogato le proteine in base alle reazioni chimiche da esse catalizzate, trascurando spesso il loro ruolo strutturale o di supporto all’interno della complessa architettura della cellula.

I risultati ottenuti su NUDT5 dimostrano che l’assenza di un effetto terapeutico tramite gli inibitori enzimatici tradizionali non significa che la proteina bersaglio sia irrilevante. La degradazione proteica mirata si conferma così uno strumento d’indagine fondamentale non solo per scopi terapeutici, ma anche per svelare funzioni biologiche nascoste che la semplice inibizione non è in grado di mostrare.

Comprendere che una proteina può agire come un interruttore strutturale spalanca nuove strade per il trattamento di malattie metaboliche rare, come le patologie legate al deficit dell’enzima MTHFD1, e offre agli oncologi strumenti diagnostici innovativi per prevedere quali pazienti risponderanno positivamente alla chemioterapia e quali rischiano di sviluppare farmacoresistenza.

In conclusione, la natura ci dimostra ancora una volta che la complessità della vita risiede sia nella chimica delle reazioni sia nella bellezza dell’architettura molecolare, dove la semplice forma di una proteina può decidere il destino di una cellula.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract 01

La 6-tioguanina (6-TG) è un farmaco antimetabolita approvato dalla FDA, ampiamente utilizzato in ambito clinico, anche per il trattamento della leucemia. I suoi effetti cellulari richiedono l’attivazione metabolica e sono regolati attraverso interazioni con diverse proteine, come la NUDT15, che catalizza l’idrolisi dei metaboliti attivi della 6-TG, ovvero la 6-tio-deossiGTP (6-tio-dGTP) e la 6-tio-GTP. Recenti studi di perdita di funzione mediante CRISPR su scala genomica hanno identificato un’altra idrolasi NUDIX, la NUDT5, come mediatore cruciale della tossicità della 6-TG. In questo studio, sviluppiamo e validiamo un kit di degradazione selettiva e attiva a livello cellulare per la NUDT5 e caratterizziamo in modo ortogonale l’interazione con il bersaglio, la formazione del complesso ternario, la cinetica di degradazione e la selettività a livello dell’intero proteoma. Questi degradatori, in combinazione con esperimenti ortogonali di knock-out e ricostituzione CRISPR, supportano un ruolo non enzimatico per NUDT5 nella modulazione della risposta cellulare al 6-TG. La deplezione della proteina NUDT5 è antagonista all’inibizione di NUDT15, suggerendo una modalità d’azione distinta con potenziali implicazioni per la terapia dei pazienti.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract 02

Il metabolismo dei folati è strettamente legato alla sintesi de novo delle purine attraverso l’incorporazione di unità monocarboniose derivate dai folati nello scheletro purinico. Studiando le dipendenze chimiche e genetiche causate da mutazioni nella metilenetetraidrofolato deidrogenasi, nella cicloidrolasi e nella formiltetraidrofolato sintetasi 1 (MTHFD1), abbiamo scoperto un ruolo chiave per la Nudix idrolasi 5 (NUDT5) nella regolazione della sintesi de novo delle purine. L’eliminazione genetica e la degradazione chimica selettiva hanno dimostrato che un ruolo di impalcatura, piuttosto che l’attività enzimatica di NUDT5, era la causa di questo fenotipo. NUDT5 interagiva con la fosforibosil pirofosfato amidotransferasi (PPAT), l’enzima limitante la velocità della sintesi de novo delle purine, per reprimere la via metabolica in risposta a un aumento dell’abbondanza di purine. Attraverso questo meccanismo, la perdita di NUDT5 media la resistenza agli analoghi delle purine nel trattamento del cancro e previene la tossicità dell’adenosina nella carenza di MTHFD1.

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