Cosa sono i DREADD?

Dr. Liji Thomas, MDReviewed by Dr. Surat P, Ph.D.

“Designer Receptors Activated Only by Designer Drugs” (DREADDs) appartengono a una classe di proteine chiamate proteine chemogenetiche. Queste proteine ingegnerizzate permettono agli scienziati di controllare l’attività delle cellule nervose negli animali deambulanti.

Juan Gaertner |

Come funzionano i DREADD?

I DREADD permettono ai recettori accoppiati a proteine G di rispondere a ligandi sintetici e non al loro ligando naturale, l’acetilcolina. Sono attivati da una molecola chiamata clozapina-N-ossido (CNO) che è biologicamente inerte.

Le proteine G sono importanti molecole di segnalazione cellulare e i ricercatori possono studiare la funzione cellulare negli organismi viventi modulando questa segnalazione nel tempo e nello spazio. Il più grande uso di DREADDs è nelle neuroscienze perché CNO può facilmente attraversare la barriera emato-encefalica.

Vari DREADDs si accoppiano a diversi tipi di recettori delle proteine G, come Gi, Gs, e Gq. Ognuno di questi può essere selezionato a seconda del percorso cellulare da attivare o inattivare.

Queste proteine sono tipicamente utilizzate per studiare le vie nervose, il diabete, i disturbi metabolici, il morbo di Parkinson, l’abuso di alcol, il disturbo post-traumatico da stress, la depressione, e per regolare i comportamenti nei topi che reagiscono alle droghe e nella tossicodipendenza.

Quali sono le proprietà dei DREADDs?

I DREADD sono recettori muscarinici mutanti che sono stati selezionati per le seguenti caratteristiche:

• Bassa attività costitutiva;
• Alta affinità del ligando;
• Alta specificità al ligando sintetico.

Come agiscono i DREADD?

Le DREADD sono proteine manipolate per reagire specificamente con piccole molecole che agiscono come attuatori chimici, ma che non erano precedentemente riconosciute da queste proteine.

Un vettore virale inserisce il gene che codifica la proteina ingegnerizzata (mutante) del recettore accoppiato alla proteina G (GPCR) nella cella da studiare. Vari promotori aiutano a selezionare le cellule bersaglio. La cellula infettata impiega due o tre settimane per esprimere la proteina recettoriale ingegnerizzata che viene attivata usando CNO.

Tipi di DREADD

hM3Dq è uno dei primi DREADD, derivato dal recettore muscarinico umano hM3 da due mutazioni puntiformi. È molto sensibile al CNO, ma insensibile all’acetilcolina e ha bassi livelli di attività costitutiva.

hM4Di è un DREADD inibitorio ampiamente utilizzato. Altri includono l’hM2D, i recettori kappa oppioidi, i DREADD accoppiati a Gs (GsD), che sono recettori chimerici (contenenti regioni recettoriali di tacchino e di ratto).

DREADDs rispetto all’optogenetica

I DREADDs permettono ai ricercatori di controllare la segnalazione dei GPCR più facilmente dell’optogenetica. Permettono di spegnere o accendere gli interruttori cellulari utilizzando l’iniezione di CNO, senza la necessità di array di fibre ottiche. Solo le cellule che esprimono il vettore virale saranno colpite, migliorando i risultati della ricerca.

La velocità un po’ più lenta con cui avvengono le reazioni DREADD potrebbe essere uno svantaggio. Tuttavia, questo metodo utilizza la via di segnalazione GPCR delle cellule. Questo è in contrasto con l’optogenetica, in cui l’apertura di canali artificiali permette il flusso di ioni nella cellula quando questa è esposta a raffiche di luce. In secondo luogo, il ritmo più lento permette di studiare i processi cellulari per un periodo più lungo.

La rapida eliminazione del CNO è un altro vantaggio, poiché permette il controllo del tempo sul percorso e anche la ripetizione della stessa dose, se necessario.

Quali sono le sfide di lavorare con i DREADD?

I DREADD devono avere bassi livelli di attività costitutiva, per evitare la segnalazione anche quando non c’è legame del ligando. Un altro problema è la possibilità di desensibilizzazione e downregulation dei recettori durante l’uso di DREADDs, che ridurrebbe la forza delle risposte. Il grado di desensibilizzazione dipende dalla riserva del recettore. La segnalazione dei GPCR può attivare più di una via effettrice a valle, con il risultato di potenziare o silenziare l’attività neurale.

Nuovi DREADD sono stati creati usando l’evoluzione molecolare diretta con una piattaforma basata sul lievito. Un altro modo è quello di agganciare piccole molecole contro i GPCRs per i quali hanno strutture disponibili (structure-guided docking). I nuovi composti devono essere in grado di penetrare facilmente nel sistema nervoso centrale per permettere una valutazione accurata degli attuatori chimici attraverso il gene GPCR. Il target potrebbe anche essere raffinato in sottodomini come il targeting assonale, il targeting dendritico o il targeting specifico della spina dorsale.

Tuttavia, un recente studio sul meccanismo d’azione in vivo di CNO sui DREADD ha riportato che i recettori sono attivati dalla clozapina. CNO può convertirsi rapidamente nel corpo in clozapina, che può attraversare la barriera emato-encefalica con facilità e legarsi ai DREADD nel cervello. L’iniezione di clozapina a livelli sottosoglia può quindi provocare i comportamenti distinti mediati tramite i DREADD.

Scritto da

Dr. Liji Thomas

Dr. Liji Thomas è un OB-GYN, laureato al Government Medical College, Università di Calicut, Kerala, nel 2001. Liji ha praticato come consulente a tempo pieno in ostetricia/ginecologia in un ospedale privato per alcuni anni dopo la sua laurea. Ha assistito centinaia di pazienti con problemi legati alla gravidanza e all’infertilità, e si è occupata di oltre 2.000 parti, cercando sempre di ottenere un parto normale piuttosto che operativo.

Citazioni

.