Le corps humain est construit pour survivre. Chacune de ses cellules est étroitement surveillée par un ensemble de protéines immunitaires armées de radars presque infaillibles qui détectent l'ADN étranger ou endommagé.

L'une des sentinelles les plus critiques des cellules est une protéine « premier répondant » connue sous le nom de cGAS, qui détecte la présence d'ADN étranger et cancéreux et initie une cascade de signalisation qui déclenche les défenses de l'organisme.

La découverte du cGAS en 2012 a déclenché une tempête de recherches scientifiques, résultant en plus de 500 publications de recherche, mais la structure et les caractéristiques clés de la forme humaine de la protéine ont continué à échapper aux scientifiques.

Maintenant, des scientifiques de la Harvard Medical School et du Dana-Farber Cancer Institute ont, pour la première fois, identifié les différences structurelles et fonctionnelles dans le cGAS humain qui le distinguent du cGAS chez d'autres mammifères et sous-tendent sa fonction unique chez l'homme.

Un rapport sur le travail de l'équipe, publié le 12 juillet dans Cellule , décrit les caractéristiques structurelles de la protéine qui expliquent pourquoi et comment le cGAS humain détecte certains types d'ADN, tout en ignorant les autres.

"La structure et le mécanisme d'action du cGAS humain ont été des pièces manquantes critiques en immunologie et en biologie du cancer, " a déclaré l'enquêteur principal Philip Kranzusch, professeur adjoint de microbiologie et d'immunobiologie à la Harvard Medical School et au Dana-Farber Cancer Institute. "Nos découvertes détaillant la composition moléculaire et la fonction du cGAS humain comblent cette lacune critique dans nos connaissances."

Surtout, les résultats peuvent éclairer la conception de médicaments à petites molécules adaptés aux caractéristiques structurelles uniques de la protéine humaine, une avancée qui promet de stimuler les médicaments de précision modulant le cGAS actuellement en cours de développement en tant que thérapies anticancéreuses.

« Plusieurs thérapies immunitaires expérimentales prometteuses actuellement en développement sont dérivées de la structure du cGAS de souris, qui recèle des différences structurelles clés avec le cGAS humain, " a déclaré Kranzusch. "Notre découverte devrait aider à affiner ces thérapies expérimentales et déclencher la conception de nouvelles. Cela ouvrira la voie à la conception guidée par la structure de médicaments qui modulent l'activité de cette protéine fondamentale. »

Les découvertes de l'équipe expliquent une caractéristique unique de la protéine humaine :sa capacité à être hautement sélective dans la détection de certains types d'ADN et sa propension à s'activer avec beaucoup plus de parcimonie, par rapport à la protéine cGAS chez d'autres animaux.

Spécifiquement, la recherche montre que le cGAS humain abrite des mutations qui le rendent extrêmement sensible aux longues longueurs d'ADN, mais le rendent « aveugle » ou « insensible » aux fragments d'ADN courts.

« Le cGAS humain est une protéine hautement discriminante qui a développé une spécificité accrue envers l'ADN, " a déclaré le co-premier auteur Aaron Whiteley, chercheur postdoctoral au Département de microbiologie et d'immunobiologie de la Harvard Medical School. "Nos expériences révèlent ce qui sous-tend cette capacité."

Chez tous les mammifères, cGAS fonctionne en détectant l'ADN qui est au mauvais endroit. Sous des conditions normales, L'ADN est étroitement emballé et protégé dans le noyau de la cellule - le « coffre-fort » cellulaire - où l'information génétique est stockée. L'ADN n'a pas à errer librement dans la cellule. Lorsque des fragments d'ADN se retrouvent à l'extérieur du noyau et dans le cytosol de la cellule, le liquide qui enveloppe les organites de la cellule, c'est généralement un signe que quelque chose de sinistre se prépare, tels que des dommages provenant de l'intérieur de la cellule ou de l'ADN étranger provenant de virus ou de bactéries qui ont pénétré dans la cellule.

La protéine cGAS fonctionne en reconnaissant un tel ADN mal placé. Normalement, il sommeille dans les cellules. Mais dès qu'il détecte la présence d'ADN à l'extérieur du noyau, cGAS entre en action. Il fabrique un autre produit chimique, un deuxième messager, appelé cGAMP, mettant ainsi en branle une réaction moléculaire en chaîne qui alerte la cellule de la présence anormale d'ADN. A la fin de cette réaction de signalisation, la cellule est soit réparée, soit, en cas de dommages irréparables, il s'autodétruit.

Mais la santé et l'intégrité de la cellule reposent sur la capacité du cGAS à distinguer l'ADN inoffensif de l'ADN étranger ou de l'auto-ADN libéré lors des dommages cellulaires et du stress.

"C'est un bon équilibre qui maintient le système immunitaire en équilibre. Un cGAS hyperactif peut déclencher l'auto-immunité, ou auto-attaque, tandis que le cGAS qui ne détecte pas l'ADN étranger peut conduire à la croissance tumorale et au développement du cancer, " a déclaré le co-premier auteur Wen Zhou, chercheur postdoctoral à la Harvard Medical School et au Dana-Farber Cancer Institute.

L'étude actuelle révèle les changements évolutifs de la structure de la protéine qui permettent au cGAS humain d'ignorer certaines rencontres d'ADN tout en répondant à d'autres.

Pour leur travail, l'équipe s'est tournée vers un collaborateur improbable :Vibrio cholerae, la bactérie qui cause le choléra, l'un des plus anciens fléaux de l'humanité.

Profitant d'une enzyme cholérique qui partage des similitudes avec le cGAS, les scientifiques ont pu recréer la fonction du cGAS humain et murin dans la bactérie.

En collaboration avec des collègues du laboratoire du bactériologiste de la Harvard Medical School, John Mekalanos, les scientifiques ont conçu une chimère, ou hybride, forme de cGAS qui comprenait du matériel génétique provenant à la fois des formes humaine et murine de la protéine. Ensuite, ils ont comparé la capacité du cGAS hybride à reconnaître l'ADN contre les versions intactes de la souris et de l'homme intact de la protéine.

Dans une série d'expériences, les scientifiques ont observé des schémas d'activation entre les différents types de cGAS, réduisant progressivement les principales différences qui expliquaient l'activation différentielle de l'ADN entre les trois.

Les expériences ont révélé que sur les 116 acides aminés qui diffèrent dans le cGAS humain et murin, seulement deux représentaient la fonction altérée du cGAS humain. En effet, Le cGAS humain était capable de reconnaître l'ADN long avec une grande précision, mais il ignorait les fragments d'ADN courts. La version murine de la protéine, par contre, n'a pas fait la différence entre les fragments d'ADN longs et courts

"Ces deux minuscules acides aminés font toute la différence, " a déclaré Whiteley. " Ils permettent à la protéine humaine d'être hautement sélective et de ne répondre qu'à un ADN long, en ignorant l'ADN court, rendant essentiellement la protéine humaine plus tolérante à la présence d'ADN dans le cytosol de la cellule."

Tracer la divergence génétique sur une échelle de temps évolutive, les scientifiques ont déterminé que les gènes cGAS de l'homme et de la souris se sont séparés il y a entre 10 et 15 millions d'années.

Les deux acides aminés responsables de la détection de l'ADN long et de la tolérance de l'ADN court se trouvent uniquement chez les humains et les primates non humains, comme les gorilles, chimpanzés et bonobos.

Les scientifiques émettent l'hypothèse que la capacité d'ignorer l'ADN court mais de reconnaître l'ADN long doit avoir conféré certains avantages évolutifs.

"Cela pourrait être un moyen de se prémunir contre un système immunitaire hyperactif et une inflammation chronique, " a déclaré Kranzusch. "Ou il se pourrait que le risque de certaines maladies humaines soit réduit en ne reconnaissant pas l'ADN court."

Dans une dernière série d'expériences, l'équipe a déterminé la structure atomique du cGAS humain sous sa forme active lorsqu'il se lie à l'ADN.

Faire cela, ils ont utilisé une technique de visualisation connue sous le nom de cristallographie aux rayons X, qui révèle l'architecture moléculaire des cristaux de protéines sur la base d'un motif de faisceaux de rayons X diffusés.

Profiling the structure of cGAS "in action" revealed the precise molecular variations that allowed it to selectively bind to long DNA, while ignoring short DNA.

"Understanding what makes the structure and function of human cGAS different from those in other species was the missing piece, " Kranzusch said. "Now that we have it, we can really start designing drugs that work in humans, rather than mice."