Cientistas finalmente descobrem como uma bactéria intestinal comum pode desencadear câncer de cólon

A descoberta vem de uma equipe liderada por cientistas do Johns Hopkins Kimmel Cancer Center, do Instituto Bloomberg-Kimmel de Imunoterapia contra o Câncer e da Escola de Medicina da Universidade Johns Hopkins. Suas descobertas, publicadas em Naturezaidentificam uma proteína chamada claudina-4 como o ponto de ancoragem essencial para uma toxina bacteriana conhecida como BFT.

Ainda mais promissor, os investigadores já utilizaram esta descoberta para desenvolver um chamariz molecular que intercepta a toxina antes que esta possa danificar as células do cólon. A estratégia protegeu com sucesso os ratos dos efeitos nocivos da toxina, sugerindo uma possível nova abordagem para prevenir danos bacterianos associados ao cancro colorrectal. A pesquisa recebeu apoio parcial dos Institutos Nacionais de Saúde.

“Fizemos várias tentativas ao longo do tempo para identificar o receptor, então este é um momento emocionante”, disse a autora sênior Cynthia Sears, médica, professora de imunoterapia contra o câncer da Bloomberg ~ Kimmel e professora de medicina na Johns Hopkins. “Compreender como funcionam as toxinas bacterianas pode abrir portas a novas abordagens para a detecção e terapia de doenças associadas, incluindo diarreia, cancro colorrectal e infecções da corrente sanguínea”.

Como uma bactéria intestinal comum pode promover o câncer de cólon

A investigação centra-se Bacteroides fragilisuma bactéria que pode ser encontrada no intestino de até 20% das pessoas saudáveis. Embora a presença desta bactéria não signifique automaticamente que alguém irá desenvolver cancro, certas estirpes produzem uma toxina poderosa capaz de perturbar o revestimento protetor do cólon, causando inflamação e estimulando o crescimento do tumor.

A toxina, conhecida como B. frágil toxina ou BFT, está sob investigação há anos. Em um estudo histórico de 2009 publicado em Medicina da NaturezaSears e seus colegas demonstraram que a toxina poderia promover o desenvolvimento de tumores de cólon. Seu trabalho ajudou a estabelecer uma conexão importante entre bactérias intestinais produtoras de toxinas, inflamação crônica e câncer colorretal.

Experimentos anteriores também revelaram que o BFT danifica uma proteína chamada E-caderina, que ajuda a manter as células vizinhas unidas e a manter a barreira protetora do cólon. Quando esta proteína é quebrada, a barreira fica comprometida, permitindo potencialmente que substâncias e bactérias nocivas interfiram no tecido circundante.

No entanto, uma questão crítica permaneceu sem resposta. Embora o BFT pudesse quebrar a E-caderina, a toxina não parecia se ligar diretamente a essa proteína. Os investigadores suspeitaram que outra molécula estava a ajudar a toxina a atingir o seu alvo, mas repetidas tentativas para a identificar falharam.

Cientistas identificam o elo perdido usando CRISPR

Para resolver o mistério, os investigadores recorreram ao CRISPR, uma poderosa tecnologia de edição de genes que permite aos cientistas desativar seletivamente genes e investigar o que eles fazem.

Maxwell White, MD/Ph.D. candidato que trabalha no laboratório da Sears, liderou um esforço de triagem CRISPR em todo o genoma em colaboração com o laboratório de Matthew Waldor na Harvard Medical School. A equipe desligou sistematicamente genes nas células epiteliais do cólon, as células que formam o revestimento interno do cólon, para determinar quais eram necessários para que a toxina se fixasse e causasse danos.

Um gene se destacou dramaticamente. Produz claudina-4, uma proteína que ajuda as células vizinhas a formar junções estreitas, as vedações que limitam o movimento de substâncias entre as células e ajudam a manter a barreira intestinal.

Quando os pesquisadores desativaram o gene responsável pela claudina-4, o BFT não conseguiu mais se ligar às células do cólon. Sem essa ligação inicial, a toxina foi incapaz de atacar a E-caderina.

A descoberta revelou que a claudina-4 atua como um receptor para a toxina bacteriana. Com efeito, a toxina deve primeiro fixar-se nesta proteína antes de poder realizar a sua actividade prejudicial.

“Demorou um pouco para que o ensaio funcionasse e validasse a abordagem, mas assim que conseguimos fazer a triagem, claudin-4 foi um sucesso claro e retumbante”, diz White. “Esse foi um momento emocionante.”

Uma descoberta inesperada revela uma nova estratégia de ataque bacteriano

A identidade do receptor surpreendeu os cientistas.

Sears e outros pesquisadores esperavam que o BFT interagisse com uma proteína envolvida na sinalização celular, como um receptor acoplado à proteína G. Esses receptores atuam como interruptores de comunicação, permitindo que as células respondam aos sinais do ambiente.

Claudin-4, entretanto, serve a um propósito muito diferente. Em vez de funcionar principalmente como um receptor de sinalização, ajuda a manter as conexões físicas entre as células vizinhas.

A descoberta também revelou uma forma incomum de operação de uma toxina bacteriana. O BFT pertence a uma classe de enzimas chamadas proteases, que cortam outras proteínas. A maioria das proteases actua directamente nos seus alvos, mas o BFT parece necessitar de um receptor separado antes de poder atingir e danificar a E-caderina.

Quando a equipe revisou pesquisas científicas anteriores, não conseguiu identificar outra toxina conhecida por usar o mesmo mecanismo.

Para estabelecer que o BFT e a claudina-4 realmente se ligam, os pesquisadores da Johns Hopkins colaboraram com os biólogos estruturais F. Xavier Gomis-Rüth ​​e Ulrich Eckhard do Instituto de Biologia Molecular de Barcelona.

Usando técnicas que medem como as moléculas interagem, White e a equipe de Barcelona mostraram que o BFT e a claudina-4 formam um complexo fortemente ligado em experimentos de laboratório. Cada molécula de toxina emparelhada com uma molécula receptora, fornecendo evidência física direta da conexão.

Um chamariz molecular inteligente bloqueia a perigosa toxina intestinal

A identificação do receptor fez mais do que explicar como a toxina funciona. Também deu aos cientistas uma ideia para pará-lo.

Se o BFT precisar da claudina-4 para se ligar às células do cólon, talvez um substituto possa atrair a toxina para longe do alvo pretendido.

Para testar essa possibilidade, a equipe desenvolveu uma isca molecular. Esta era uma proteína solúvel que transportava sequências de claudina-4, concebida para atrair BFT sem permitir que atacasse o revestimento protetor do cólon.

Os pesquisadores trabalharam então com o laboratório de Min Dong na Harvard Medical School, incluindo Kang Wang e colegas, para investigar a abordagem em ratos. Estas experiências permitiram aos cientistas examinar como a toxina se comporta no ambiente mais complicado de um intestino vivo.

Os resultados foram encorajadores. Em vez de se ligar aos receptores de claudina-4 nas células do cólon, o BFT ligou-se às proteínas chamariz. Ao interceptar a toxina, as iscas protegeram com sucesso os ratos dos danos induzidos pelo BFT.

A descoberta sugere que pode ser possível interferir no primeiro passo da toxina, em vez de tentar reparar o dano depois que ele ocorre.

“Esta abordagem poderia ser iterada com pequenas moléculas ou outros produtos biológicos que tenham melhores propriedades farmacológicas”, diz White. A equipe está agora explorando quais abordagens moleculares podem ter mais sucesso para bloquear a toxina.

Moléculas pequenas são compostos que às vezes podem ser transformados em medicamentos, enquanto produtos biológicos são tratamentos feitos a partir ou envolvendo materiais biológicos, como proteínas. Versões futuras da estratégia isca poderiam ser potencialmente projetadas para funcionar de forma mais eficaz no corpo ou para serem mais fáceis de administrar.

O que esta descoberta pode significar para a prevenção do câncer de cólon

Embora as descobertas identifiquem um novo alvo promissor, permanecem questões importantes.

Os cientistas estabeleceram que o BFT se liga à claudina-4 e que o bloqueio desta interação pode proteger os ratos dos danos induzidos pela toxina. No entanto, eles ainda não capturaram a estrutura tridimensional experimental exata que mostra como as duas moléculas se encaixam.

Mesmo ferramentas avançadas de inteligência artificial, incluindo AlphaFold, não conseguiram resolver totalmente a interação. Compreender sua estrutura precisa pode ajudar os pesquisadores a projetar compostos mais eficazes que impeçam a ligação da toxina.

Mais experimentos também serão necessários para determinar se a abordagem isca pode prevenir com segurança e eficácia doenças relacionadas a toxinas em humanos. As experiências com ratos demonstraram protecção contra danos nos tecidos, mas não estabeleceram que a estratégia previne o cancro colorrectal.

No entanto, a descoberta resolve uma questão importante que persiste desde que a ligação entre BFT e a formação de tumores de cólon foi estabelecida em 2009. Ao identificar o ponto de ligação anteriormente desconhecido da toxina, os investigadores descobriram uma forma potencial de interromper um processo biológico prejudicial antes de este começar.

As descobertas poderão, em última análise, apoiar novas estratégias para detectar ou tratar condições associadas a toxinas bacterianas, incluindo cancro colorrectal, diarreia e infecções da corrente sanguínea.

Autores do estudo, financiamento e divulgações

Pesquisadores adicionais que contribuíram para o estudo incluem Jason Chen, Shaoguang Wu, Abby L. Geis e Jessica Queen da Johns Hopkins, juntamente com Hailong Zhang, Karthik Hullahalli e Jie Zhang da Harvard Medical School.

O financiamento foi fornecido pelo Instituto Bloomberg ~ Kimmel de Imunoterapia contra o Câncer, Janssen Research and Development, Cancer Research UK, os Institutos Nacionais de Saúde (números de concessão R01 AI042347, R01 NS080833, R01 NS117626, R01 AI170835 e R01 AI189789) e o Howard Hughes Medical Institute.