Rola odgrywana przez szlaki sygnałowe biorące udział w odpowiedzi na bodziec we wrodzonym układzie odpornościowym człowieka

Materiał genetyczny bardziej zaawansowanych biologicznie organizmów, takich jak człowiek, znajduje się zwykle w jądrze komórkowym i mitochondriach (organellach otoczonych błoną). Dlatego też obecność DNA w otaczającej cytoplazmie jest przeważnie wynikiem uszkodzenia jądra albo mitochondriów, bądź ewentualnie infekcji bakteryjnej albo wirusowej.

Enzym cGAS opisano jako cytozoliczny sensor DNA, co oznacza, że jego zadaniem jest wykrywanie nieprawidłowo usytuowanego DNA – co może być oznaką infekcji – w imieniu wrodzonego układu odpornościowego komórki. Zespół pod kierownictwem profesora Karla-Petera Hopfnera z Uniwersytetu Ludwika i Maksymiliana w Monachium, opierając się na pracach realizowanych częściowo w ramach finansowanego ze środków UE projektu GENESIS, odkrył, że skuteczność wykrywania przez enzym cGAS cytoplazmatycznego DNA uzależniona jest od długości tego drugiego.

Dlaczego każdy szczebel drabiny jest pomocny

Naukowcy, którzy opublikowali swoje odkrycia w czasopiśmie Nature, odkryli, że cGAS łączy się z cytozolicznym DNA za pomocą struktury przypominającej drabinę. Proces uruchamia powstawanie molekuły (cGAMP), która pełni rolę posłańca do układu immunologicznego, wywołując syntezę interferonów – białek immunostymulujących – wzmacniających mechanizmy obronne komórki.

Zespół wykazał, że takie aktywowanie wrodzonego układu odpornościowego wymaga od drabiniastej struktury przekroczenia pewnej długości. Kompleks składający się tylko z krótkich łańcuchów DNA jest za słaby, by być zrównoważony. Jak przyznaje prof. Hopfner: „Kompleks działa jak zamek błyskawiczny. Jeżeli zazębi się tylko jeden występ, można go łatwo rozdzielić, ale kiedy wiele z nich się wpasuje, środek nie rozpadnie się”.

W celu ustalenia struktury kompleksu zespół wykorzystał dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego po skrystalizowaniu kompleksu składającego się z dłuższych fragmentów DNA i dimerów cGAS (podwójnych podjednostek funkcjonalnych enzymu). Drabiniasta struktura powstaje z dwóch oddzielnych łańcuchów DNA albo z jednego U-kształtnego łańcucha tworzącego pionowe boki, pomiędzy którymi wpasowują się dimery, niczym szczeble drabiny. Struktura stabilizuje aktywne dimery enzymu, umożliwiając im syntezowanie cząsteczki sygnałowej cGAMP. Jak opisuje to Liudmila Andreeva, naczelna autorka artykułu w czasopiśmie »Nature«: „Im więcej szczebli zostanie wsuniętych, tym bardziej stabilny jest kompleks, ponieważ sąsiadujące dimery stabilizują się nawzajem. (...) Udało nam się opracować model matematyczny opisujący ten mechanizm”.

Wiadomo już, że różne białka potrafią umożliwić formowanie się drabiniastej struktury poprzez zakrzywianie DNA w kształt litery U i uruchamianie procesu wstawiania dimerów enzymu cGAS niczym szczebli drabiny. Zespół wykazał, że uruchomić ten mechanizm potrafią niektóre białka związane ze stresem oraz pakowaniem DNA w jądrze, bakteriach i mitochondrium.

Wcześniejsze badania wykazały już, że dłuższe łańcuchy DNA szybciej uruchamiają ten proces ochronny niż krótsze, w komórkach zawierających równe ilości cytozolicznego DNA. Wedle roboczej teorii, utrzymywanie długości łańcuchów DNA poniżej minimalnego progu pozwala uniknąć zbędnej reakcji wrodzonego układu immunologicznego na np. krótkie cząsteczki cytozolicznego DNA powstałe w wyniku normalny procesów komórkowych.

Znajdowanie nowych odpowiedzi

Partnerzy projektu GENESIS mieli możliwość skorzystania z postępów inżynierii genomu oraz ze stworzonej im sposobności zbudowania i przetestowania hipotez poprzez eliminowanie genów albo w drodze funkcjonalnego genetycznego badania przesiewowego ludzkich komórek. W ramach projektu opracowali platformę do targetowania i sprawdzania genomu, umożliwiającą wielkoskalowe badania nad utratą funkcji.

W ramach projektu naukowcy nadal zajmują się systematycznym badaniem roli znanych szlaków sygnałowych ludzkiego DNA biorących udział w odpowiedzi na bodziec, które wykrywają potencjalnie niebezpieczne DNA i organizują środki ochronne. Na podstawie wielkoskalowych badań perturbacyjnych przyglądają się konkretnie oddziaływaniu kinomu w antywirusowych wrodzonych odpornościowych szlakach sygnałowych.

Więcej informacji:
strona projektu w serwisie CORDIS