La più frequente mutazione della proteina Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator (CFTR), la F508del, dà luogo a una proteina che, incapace di raggiungere la membrana cellulare, non è in grado di trasportare cloruro e viene distrutta. La somministrazione combinata di un farmaco correttore, VX809, che interviene sul processamento di CFTR F508del all’interno della cellula, e un potenziatore, VX770, che incrementa il trasporto di cloruro una volta che è in membrana, può contribuire a riportare il funzionamento della proteina mutata a un livello sufficiente. L’efficacia dei due farmaci è tuttavia limitata e ricerche recenti mostrano che sarebbe vantaggioso identificare anche piccole molecole che unissero il doppio effetto, di potenziatore e di correttore.
È stato dimostrato che trimetilangelicina (TMA) agisce nei confronti di CFTR-F508del comportandosi sia come potenziatore (1) del trasporto di cloruro, sia come correttore (2); in particolare, l’efficacia del TMA come correttore è stata dimostrata anche in cellule epiteliali primarie derivanti da bronchi di pazienti affetti da fibrosi cistica. Partendo da questi risultati, il progetto di ricerca FFC 1/2013, portato avanti dallo stesso gruppo di ricerca dei due studi precedenti e coordinato da Valeria Casavola dell’Università di Bari, si proponeva di identificare il meccanismo d’azione, ancora sconosciuto, mediante il quale TMA interagisce con CFTR; la comprensione di tale meccanismo rappresenta un passo determinante per un suo potenziale sviluppo terapeutico. Un recente studio pubblicato dal gruppo (3) riporta i risultati ottenuti in questo senso, mettendo la molecola TMA a confronto con VX809 e VX770.
Per capire i risultati dello studio (3) è necessario entrare nei dettagli della struttura chimica della proteina CFTR. La proteina CFTR è un lunga catena di aminoacidi (come fossero perle di una lunghissima collana) arrotolati in una conformazione tridimensionale a forma di canale, che può essere suddivisa in zone: si identificano due domini che attraversano la membrana cellulare (MSD1 e MSD2), due domini per il legame con la molecola fonte di energia ATP (NBD1 e NBD2, quando ATP si lega ai due domini NBD, il canale è aperto) e un dominio regolatore R.
Nel presente studio (3) in vitro su cellule embrionali renali dette HEK, è stata eseguita l’analisi di opportuni frammenti di CFTR di diversa lunghezza espressi nella cellula, in presenza di TMA, VX809 e VX770. È emerso che, analogamente al correttore VX809, TMA interagisce con il dominio di membrana MSD1 per promuovere la stabilità della mutazione F508del. In questa interazione sono coinvolte delle molecole di carbonio del cosiddetto estremo carbossi-terminale appartenente al dominio MSD1. La capacità di TMA di modificare la stabilità di MSD1 alla stregua di VX-809, è in qualche modo sorprendente, data la grande differenza nella struttura chimica delle due molecole. Inoltre, nello stesso studio (3) vengono riportati i risultati degli esperimenti fatti per verificare il meccanismo di funzionamento di TMA come potenziatore: come per VX770, l’aggiunta di TMA stimola lo scambio di ioni nella CFTR nativa ricostruita all’interno della cellula. Questo potenziamento avviene sia in presenza che in assenza di ATP (anche se è maggiore in presenza di ATP), a indicare che, come per VX770, il sito di legame per TMA non coinvolge i domini NBD. Sembrerebbe quindi che TMA potenzi l’attività del canale legandosi alla proteina intera.
In conclusione, TMA condivide con VX809 e VX770 alcune caratteristiche nel modo d’interazione con CFTR. Come VX809, TMA stabilizza il primo dominio di membrana della proteina CFTR F508del e come VX770 TMA modifica in modo diretto, potenziandola, l’attività di canale di CFTR. Poiché rivela lo stesso meccanismo d’azione di VX770 e VX809, TMA non mostra un effetto additivo se somministrato simultaneamente a essi. Questo lavoro (3) dimostra inoltre che lo stesso meccanismo d’azione efficace su CFTR F508del può provenire anche da strutture chimiche molto diverse, lasciando grande spazio alla loro ricerca.
Studio finanziato grazie al progetto FFC 1 2013, coordinato da Valeria Casavola, dell’Università degli Studi di Bari, con il contributo della Delegazione FFC di Vicenza.
Cystic Fibrosis is caused by mutations in the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) gene, the most common mutation being deletion of phenylalanine 508 (F508del). VX-809 is a Class 1 corrector molecule that partially rescues misprocessing of F508del, and VX-770 is a potentiator of channel activity, both approved for treatment of CF patients homozygous for the F508del mutation. Trimethylangelicin (TMA) is a distinct small molecule modulator, previously shown to exhibit both corrector and potentiator activities (1,2).
The authors of this study (3), led by Valeria Casavola (University of Bari) and supported by FFC #1/2013, have analyzed if TMA mediates these corrector and potentiator activities by direct binding. They found that, like VX-770, TMA is effective in enhancing anion efflux mediated by purified WT-CFTR reconstituted in phospholipid liposomes. Furthermore, like VX-809, TMA is effective in stabilizing the functional expression of CFTR lacking the regulatory “R” domain or second nucleotide-binding domain (NBD2). The smallest domain that was stabilized by TMA binding was the first membrane-spanning domain (MSD1) as previously observed for VX-809. Together, these findings support the claim that TMA binds directly to CFTR, and, despite its distinct chemical structure, shares similar mechanisms as VX-770 and VX-809 to potentiate and stabilize CFTR.
1) Tamanini A, Borgatti M, Finotti A, Piccagli L, Bezzerri V, Favia M, Guerra L, Lampronti I, Bianchi N, Dall’Acqua F, Vedaldi D, Salvador A, Fabbri E, Mancini I, Nicolis E, Casavola V, Cabrini G, Gambari R. Trimethylangelicin reduces IL-8 transcription and potentiates CFTR function. American Journal of Physiology – Lung Cellular and Molecular Physiology 2011, 300 (3): L380-L390
2) M Favia, MT Mancini, V Bezzerri, L Guerra, O Laselva, AC Abbattiscianni, L Debellis, SJ Reshkin, R Gambari, G Cabrini, V Casavola. Trimethylangelicin promotes the functional rescue of mutant F508del CFTR protein in cystic fibrosis airway cells American Journal of Physiology – Lung Cellular and Molecular Physiology 2014, 307(1): L48-L61
3) Laselva O, Molinski S, Casavola V, Bear CE. The investigational Cystic Fibrosis drug Trimethylangelicin directly modulates CFTR by stabilizing the first membrane-spanning domain. Biochem Pharmacol. 2016
