Un gruppo di scienziati della Mayo Clinic, sfruttando una tecnologia di imaging avanzata, hanno fornito una comprensione che non ha eguali del complesso proteico BRCA1-BARD1, che è spesso mutato nelle pazienti con cancro al seno o alle ovaie.Utilizzando la microscopia crioelettronica, è stato possibile Il funzionamento di BRCA1-BARD1, e questa importante scoperta sarà un supporto fondamentale per lo sviluppo di terapie farmacologiche innovative.
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista scientifica Nature.
Microscopia crioelettronica: ecco come funziona
“BRCA1-BARD1 è importante per la riparazione del DNA. Ha una rilevanza diretta per il cancro perché centinaia di mutazioni nei geni BRCA1 e BARD1 sono state identificate in pazienti affetti da cancro“, ha spiegato Georges Mer, Ph.D., biologo strutturale e biochimico della Mayo Clinic e l’autore principale dell’articolo.
“Ma nessuno sa se queste mutazioni, o varianti di significato sconosciuto, predispongono o meno al cancro perché non sappiamo se le varianti si trovano in una regione di BRCA1-BARD1 che è importante per la funzione. Ora perché possiamo vedere come BRCA1-BARD1 funziona, abbiamo una buona idea di quali regioni di BRCA1-BARD1 sono importanti per il funzionamento.”
In una cellula, il complesso di DNA e proteine istoniche è complessato in quella che viene denominata cromatina e impacchettato in fasci chiamati nucleosomi. Le proteine di risposta al danno del DNA devono accedere alla cromatina per riparare il DNA danneggiato. BRCA1-BARD1 contribuisce a fissare i filamenti di DNA rotti, il che aiuta nel mantenimento e nella sopravvivenza delle cellule. Ma è anche una funzione che potrebbe essere bloccata o inattivata se questa è una strategia utilizzata da una cellula cancerosa per sopravvivere alla chemioterapia.
“Abbiamo utilizzato due tecniche, la microscopia crioelettronica e la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, per capire a una risoluzione quasi atomica come BRCA1-BARD1 si associa al nucleosoma, l’unità ripetitiva della cromatina, e come BRCA1-BARD1 modifica la cromatina“, ha specificato il dott. Mer.
Per quanto riguarda la microscopia crioelettronica, , i BRCA1-BARD1 purificati legati ai nucleosomi, denominati insieme macromolecole, vengono congelati in flash e quindi ripresi utilizzando un microscopio elettronico. Le macromolecole sono orientate in vari modi all’interno del campione, quindi un programma per computer valuta tutti i dati di orientamento per creare una struttura 3D.
Il dottor Mer e il suo team hanno anche esaminato i complessi nucleosomi BRCA1-BARD1 con la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare , che utilizza un forte magnete per sondare le posizioni relative degli atomi all’interno delle macromolecole. Utilizzando questi strumenti di imaging, gli scienziati hanno potuto visualizzare BRCA1-BARD1 in azione e scoprire una nuova funzione del complesso.
“Abbiamo mostrato come BRCA1-BARD1 attacca l’ubiquitina al nucleosoma, ma abbiamo anche determinato che BRCA1-BARD1 riconosce l’ubiquitina già attaccata al nucleosoma, che funge da segnale per il DNA rotto“, ha affermato il dott. Mer. “Abbiamo scoperto un inaspettato cross-talk attraverso il quale il riconoscimento dell’ubiquitina da parte di BRCA1-BARD1 migliora la sua attività di attaccamento all’ubiquitina e questo ci aiuta a capire meglio come BRCA1-BARD1 svolge la sua funzione”.
Il Dr. Mer insieme ai suoi collaboratori, si aspettano che le immagini ad alta risoluzione di BRCA1-BARD1 possano aiutare a guidare la cura del paziente e il futuro trattamento del cancro in due modi: classificando varianti di significato sconosciuto e indirizzando lo sviluppo di farmaci con maggiore precisione.
“Con queste strutture 3D, dovremmo essere in grado di convertire diverse varianti di significato sconosciuto in varianti probabili predisponenti al cancro“, ha continuato il dott. Mer. “Questo lavoro dovrebbe anche avere un impatto sullo sviluppo di farmaci a lungo termine perché le strutture 3D di BRCA1-BARD1 in complesso con il nucleosoma che abbiamo generato possono aiutare nella progettazione di piccole molecole che potrebbero, ad esempio, inattivare BRCA1-BARD1 .”
Microscopia crioelettronica: il ruolo del BRCA1 nella riparazione del DNA
I cambiamenti del gene BRCA1 sono collegati ad un alto rischio di sviluppare il cancro al seno e alle ovaie. Uno studio pubblicato su Nature Structural and Molecular Biology , spiega come il gene incoraggi l’attaccamento della proteina, l’ubiquitina, ad altre proteine e svolga un ruolo fondamentale nella riparazione del DNA.
Se questa scoperta venisse confermata da altre ricerche, diventerebbe plausibile che le pazienti con determinate alterazioni genetiche di BRCA1 possano essere identificate come a più alto rischio di cancro al seno e alle ovaie . Il gene BRCA1 produce una proteina in grado di legare l’ubiquitina, che aiuta a regolare i processi nell’organismo, ad altre proteine. Tuttavia si sapeva poco sull’importanza di questa attività nella riparazione del DNA.
La nuova ricerca ha scoperto che questo legame dell’ubiquitina da parte di BRCA1, la sua “attività ubiquitina ligasi“, è necessario per un determinato tipo di riparazione del DNA “senza errori“, conosciuto come ricombinazione omologa. È noto che le cellule senza questo tipo di riparazione del DNA possono sviluppare mutazioni che portano allo sviluppo del cancro. Le cellule prive dell’attività ubiquitina ligasi BRCA1 sono risultate sensibili a determinati agenti dannosi per il DNA che necessitano di una ricombinazione omologa per la riparazione.
Il dottor Jo Morris, autore principale dell’Università di Birmingham, ha spiegato: “Sappiamo che la perdita di BRCA1 è associata ad un alto rischio di cancro al seno, quindi fare i conti con la comprensione di questo gene è stato uno degli obiettivi principali della ricerca sul cancro al seno. Questo studio può spiegare perché alcune mutazioni che predispongono al cancro si trovano nella parte anteriore del gene BRCA1, la parte che gli consente di funzionare come ubiquitina ligasi”.
Gli studiosi hanno cercato di capire come BRCA1 riesca a svolgere il ruolo di attaccamento dell’ubiquitina e hanno rivelato che si basa su una parte di una proteina partner, chiamata BARD1.m: sfruttando versioni modificate di BARD1 e lasciando intatta la proteina BRCA1, sono riusciti ad individuare la funzione di attaccamento di BRCA1 e dimostrare che è necessaria per la risposta cellulare e la corretta riparazione del danno al DNA.
Il dottor Morris ha così concluso: “La nostra scoperta che BRCA1 ha diverse funzioni indipendenti nella riparazione del DNA ha implicazioni per il trattamento. I medici sono attualmente preoccupati che i pazienti con cancro al seno con BRCA1 basso o assente possano diventare resistenti ad agenti terapeutici come Olaparib. I nostri dati mostrano che le cellule tumorali senza BRCA1 hanno più di un “tallone d’Achille”, e quindi ci sono più modi per colpire i tumori e quindi prevenire che i tumori diventino resistenti al trattamento”.