Svolta scientifica svela il legame tra batteri intestinali e cancro del colon

Un comune batterio intestinale è da tempo al centro dell’attenzione degli scienziati per la sua capacità di produrre una tossina in grado di danneggiare il colon e favorire la formazione di tumori. Nonostante si sapesse che questo microrganismo potesse contribuire allo sviluppo del cancro del colon-retto, un mistero fondamentale resisteva da quasi due decenni: come la tossina riuscisse a legarsi alle cellule intestinali per dare inizio al suo attacco. Oggi, un team internazionale di ricercatori ha finalmente identificato questo anello mancante, aprendo la strada a nuove strategie di prevenzione e protezione per la salute umana.

Una scoperta cruciale nel panorama oncologico

La ricerca pionieristica è stata guidata da scienziati del Johns Hopkins Kimmel Cancer Center, del Bloomberg-Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy e della Johns Hopkins University School of Medicine, con importanti collaborazioni internazionali tra cui la Harvard Medical School e l’Istituto di Biologia Molecolare di Barcellona. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature.

Il batterio incriminato è il Bacteroides fragilis, un organismo che popolarmente risiede nell’intestino di circa il 20% delle persone sane. Nella maggior parte dei casi la sua presenza è silente, ma alcuni ceppi particolari producono una potente tossina nota come BFT (o tossina di B. fragilis). Questa proteina agisce come una metalloproteasi, cioè un enzima capace di tagliare e degradare altre proteine. In passato, gli studiosi avevano scoperto che la BFT distrugge la E-caderina, una proteina fondamentale che serve a tenere unite le cellule adiacenti e a mantenere intatta la barriera protettiva del colon. Tuttavia, gli esperimenti dimostravano che la tossina non si legava direttamente alla E-caderina, lasciando aperto l’interrogativo sul reale meccanismo di riconoscimento cellulare.

Il ruolo della tecnologia genetica e l’identificazione del recettore

Per risolvere l’enigma, i ricercatori hanno sfruttato una delle tecnologie più avanzate della biologia moderna: CRISPR, un sistema di modifica genetica che consente di disattivare selettivamente i geni per studiarne la funzione. Attraverso uno screening genomico su larga scala condotto sulle cellule epiteliali del colon, il team ha cercato di capire quali elementi fossero indispensabili affinché la tossina potesse colpire la cellula.

Il risultato ha sorpreso la comunità scientifica: il gene che è emerso in modo inequivocabile produce la claudina-4, una proteina localizzata sulla membrana cellulare che normalmente costituisce le cosiddette giunzioni strette, ovvero le guarnizioni che impediscono il passaggio incontrollato di sostanze tra una cellula e l’altra.

• La claudina-4 funge da recettore: Senza questa proteina di ancoraggio, la tossina BFT si è dimostrata incapace di legarsi alle cellule e di aggredire la E-caderina.

• Il ruolo di compenso della claudina-3: Sebbene la claudina-4 sia la principale responsabile, i ricercatori hanno scoperto che la sua vicina claudina-3 può offrire una parziale protezione di riserva o compensare parzialmente in assenza della prima.

• Una specificità insolita: A differenza di quanto ipotizzato in passato, la BFT non sfrutta un recettore di segnalazione cellulare tradizionale, ma si appoggia a una proteina strutturale di giunzione per posizionarsi correttamente sulla membrana.

Un’esca molecolare per bloccare la minaccia in vivo

Forte di questa scoperta, il team di ricerca ha ideato una strategia difensiva estremamente ingegneristica: un’esca molecolare solubile. Poiché la BFT ha tassativamente bisogno della claudina-4 per agganciarsi alle cellule del colon, gli scienziati hanno sviluppato una proteina ricombinante che simula la claudina-4.

• L’esca attira e intercetta la tossina BFT prima che questa possa raggiungere i tessuti biologici.

• Negli esperimenti condotti sui modelli animali, la somministrazione dell’esca molecolare ha protetto con successo i topi dai danni cellulari, riducendo drasticamente lo sfaldamento epiteliale e l’edema causati dalla tossina.

• La E-caderina è rimasta intatta nelle aree trattate con l’esca, confermando la validità della neutralizzazione.

Questa via preventiva apre scenari inediti non solo per la protezione contro il cancro del colon-retto, ma anche per il trattamento di infezioni del flusso sanguigno e forme di diarrea acuta associate a questo batterio.

Approfondimenti tecnici e molecolari dal documento di ricerca

L’analisi dettagliata dei dati strutturali e biochimici pubblicati nello studio offre chiavi di lettura ancora più profonde sui meccanismi d’azione della tossina e del suo recettore:

• Analisi strutturale con AlphaFold 3 (AF3): I ricercatori hanno modellato il complesso ternario tra claudina-4, BFT ed E-cadherin utilizzando la tecnologia AF3. Il modello suggerisce che la BFT si posizioni lateralmente sulla membrana grazie al legame con la claudina-4, acquisendo la vicinanza spaziale ideale per tagliare la regione prossimale della E-caderina a livello del sito di clivaggio (tra i residui Lys697 e Val701).

• L’importanza del residuo T45: Attraverso la mutagenesi mirata delle sequenze extracellulari (ECS1 ed ECS2) della claudina-4, è emerso che la sostituzione di un singolo amminoacido, in particolare la mutazione T45N nell’anello ECS1, abolisce completamente la capacità di legame stabile della BFT. Ciò dimostra quanto la conformazione di specifici domini extracellulari sia vitale per l’interazione tossina-recettore.

• Saggi di cinetica enzimatica: Utilizzando substrati peptidici fluorogenici specifici (come Mca-KAQPVEA-Lys(Dnp)), il team ha calcolato i parametri cinetici del taglio proteolitico operato dalla BFT, registrando costanti di Michaelis-Menten e confermando l’assoluta inattività del mutante catalitico di controllo $\text{BFT(E349Q)}$.

• Validazione in vitro su cellule T84 e HT29: L’uso di colture cellulari polarizzate su inserti Transwell ha permesso di monitorare la resistenza elettrica transepiteliale (TER), dimostrando che i cloni cellulari privati della claudina-4 mantengono una integrità funzionale della barriera notevolmente superiore se esposti alla tossina rispetto alle linee cellulari selvatiche (wild-type).

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

Il colon umano è colonizzato da trilioni di batteri che svolgono un ruolo fondamentale nella salute e nelle malattie umane. Studi epidemiologici e sperimentali suggeriscono che alcuni batteri del colon possono stimolare lo sviluppo e la progressione del cancro del colon-retto. Uno di questi batteri, il Bacteroides fragilis enterotossigeno, favorisce la formazione di tumori del colon attraverso l’azione di una singola tossina, la tossina di B. fragilis (BFT). La BFT è una metalloproteasi che si lega a un recettore delle cellule epiteliali del colon e causa la scissione dell’ectodominio della E-caderina, portando alla rottura della barriera epiteliale, all’infiammazione e a un aumento della proliferazione cellulare. Tuttavia, l’identità del recettore della BFT è sconosciuta e il meccanismo molecolare della scissione della E-caderina indotta dalla BFT non è ben compreso. In questo studio, identifichiamo la claudina-4 come recettore di BFT attraverso uno screening CRISPR su scala genomica e dimostriamo che il legame con la claudina-4 promuove la scissione dell’E-caderina di superficie cellulare mediata da BFT. Il nostro lavoro fa luce sul meccanismo d’azione di BFT e apre nuove prospettive per lo sviluppo di terapie anti-BFT, che potrebbero rivelarsi utili per la prevenzione del cancro del colon-retto e per il trattamento dell’infezione acuta da B. fragilis enterotossigeno.

by