Para ilmuwan telah menemukan bagaimana toksin yang dihasilkan oleh bakteri usus mendapatkan akses ke sel-sel di usus besar, memecahkan misteri yang telah membuat penasaran para peneliti selama lebih dari 15 tahun. Penemuan ini tidak hanya menjelaskan bagaimana racun mulai merusak usus besar, namun juga menunjukkan kemungkinan cara baru untuk memblokir dampaknya sebelum berkontribusi terhadap kanker kolorektal.
Temuan ini berasal dari tim multi-institusi yang dipimpin oleh para peneliti dari Johns Hopkins Kimmel Cancer Center Bloomberg~Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy dan Johns Hopkins University School of Medicine. Diterbitkan di Alampenelitian menunjukkan bahwa racun, yang dikenal sebagai BFT dan diproduksi oleh Bakteriida fragilisharus terlebih dahulu menempel pada protein inang yang disebut claudin-4 sebelum dapat merusak sel-sel di usus besar. Penelitian ini sebagian didanai oleh National Institutes of Health.
“Kami telah melakukan beberapa upaya dari waktu ke waktu untuk mengidentifikasi reseptornya, jadi ini adalah momen yang menarik,” kata penulis utama Cynthia Sears, MD, Bloomberg~Kimmel Profesor Imunoterapi Kanker dan profesor kedokteran di Johns Hopkins. “Memahami cara kerja racun bakteri dapat membuka jalan bagi pendekatan baru untuk mendeteksi dan mengobati penyakit terkait, termasuk diare, kanker kolorektal, dan infeksi aliran darah.”
Reseptor tersembunyi memberikan akses racun usus ke sel-sel usus besar
Temuan tim ini telah mengilhami strategi yang menjanjikan untuk memblokir racun tersebut. Para peneliti mengembangkan umpan molekuler yang berhasil mencegat tuna sirip biru pada model hewan, mencegahnya merusak usus besar.
Bakteriida fragilis terdapat pada 20% orang sehat, namun strain tertentu dapat memicu peradangan usus besar dan mendorong pertumbuhan tumor. Penelitian sebelumnya dari laboratorium Sears menunjukkan bahwa BFT menyebabkan peradangan kronis dengan menghilangkan E-cadherin, protein yang membantu menjaga pelindung usus besar. Ini sebelumnya Obat alami Studi tersebut juga menunjukkan bahwa aktivitas toksin menyebabkan pembentukan tumor usus besar.
Sebuah pertanyaan besar masih belum terjawab. BFT tampaknya tidak berikatan langsung dengan E-cadherin, menunjukkan bahwa molekul lain terlebih dahulu membantu toksin mendapatkan akses ke targetnya.
Layar CRISPR menunjukkan tautan yang hilang
Untuk mengidentifikasi bagian yang hilang ini, Maxwell White, MD/Ph.D. kandidat di Sears Lab, memimpin upaya penyaringan CRISPR seluruh genom bekerja sama dengan laboratorium Matthew Waldor di Harvard Medical School.
Para peneliti secara sistematis mematikan gen individu dalam sel epitel usus besar untuk menentukan gen mana yang diperlukan agar racun dapat bekerja. Satu protein langsung menonjol: claudin-4. Ketika claudin-4 dihilangkan, BFT tidak dapat lagi menempel pada sel, sehingga E-cadherin tidak terluka.
“Butuh beberapa saat agar tes ini berhasil dan memvalidasi pendekatannya, namun begitu kami dapat melakukan penyaringan, claudin-4 jelas merupakan kesuksesan yang gemilang,” kata White. “Itu adalah momen yang menyenangkan.”
Penemuan ini mengejutkan para peneliti. Sears mengatakan banyak ilmuwan mengharapkan reseptor tersebut menjadi protein pemberi sinyal, seperti reseptor protein berpasangan G, namun claudin-4 termasuk dalam kelas protein yang berbeda. Tinjauan terhadap penelitian sebelumnya juga gagal menemukan racun lain yang berperilaku sama. Sebagian besar racun protease berikatan langsung dengan molekul yang diserangnya, bukannya terlebih dahulu menempel pada reseptor terpisah.
Para ilmuwan mengkonfirmasi target molekuler racun
Untuk menguji interaksi tersebut, para peneliti Johns Hopkins bekerja sama dengan ahli biologi struktural F. Xavier Gomis-Rüth dan Ulrich Eckhard dari Institut Biologi Molekuler Barcelona.
Dengan menggunakan teknik biofisik, White dan tim Barcelona menunjukkan bahwa BFT dan claudin-4 membentuk kompleks satu-ke-satu yang terikat erat dalam percobaan laboratorium. Hal ini memberikan bukti fisik langsung pertama bahwa toksin menempel pada reseptor sebelum merusak sel-sel di usus besar.
Para peneliti kemudian menguji hasilnya pada sistem kehidupan melalui kolaborasi dengan laboratorium Min Dong di Harvard Medical School. Bekerja sama dengan Kang Wang dan rekannya, mereka meneliti perilaku racun pada model tikus.
Umpan molekul melindungi tikus dari racun usus
Tim menciptakan versi claudin-4 yang dapat larut yang bertindak sebagai umpan dengan menampilkan bagian reseptor yang biasanya dikenali oleh racun. Daripada mengikat sel-sel di usus besar, BFT malah menempel pada protein umpan.
Strategi ini berhasil melindungi tikus dari cedera usus besar yang disebabkan oleh BFT.
“Pendekatan ini dapat diulangi dengan molekul kecil atau bahan biologis lain dengan sifat farmakologis yang lebih baik,” kata White. Tim tersebut saat ini sedang mempelajari jenis terapi apa yang paling efektif dalam memblokir racun.
Masih ada pertanyaan
Meskipun para peneliti telah mengidentifikasi reseptor tersebut dan menunjukkan bahwa reseptor tersebut terikat erat pada tuna sirip biru, masih terdapat tantangan yang signifikan. Mereka belum menangkap struktur eksperimental yang tepat yang menunjukkan secara pasti bagaimana racun dan claudin-4 bersatu.
Alat pemodelan AI saat ini, termasuk AlphaFold, gagal menyelesaikan interaksi sepenuhnya.
Penulis lain dalam makalah ini termasuk Jason Chen, Shaoguang Wu, Abby L. Geis dan Jessica Queen dari Johns Hopkins dan Hailong Zhang, Karthik Hullahalli dan Jie Zhang dari Harvard Medical School.
Penelitian ini didukung oleh Bloomberg~Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy, Janssen Research and Development, Cancer Research UK, National Institutes of Health (nomor hibah R01 AI042347, R01 NS080833, R01 NS117626, R01 AI170835, dan R01 AI189789), dan Howard Hughes Medical Institute.
Sears menerima royalti untuk menulis dan mengulas UpToDate. Pengaturan ini dikelola oleh Universitas Johns Hopkins sesuai dengan kebijakan konflik kepentingannya.
