Des scientifiques ont découvert comment une toxine produite par une bactérie intestinale courante accède aux cellules du côlon, résolvant un mystère qui a intrigué les chercheurs pendant plus de 15 ans. Cette découverte explique non seulement comment la toxine commence à endommager le côlon, mais elle ouvre également la voie à une nouvelle méthode potentielle pour bloquer ses effets avant qu’ils ne contribuent au cancer colorectal.
Les résultats proviennent d’une équipe multi-institutionnelle dirigée par des chercheurs du Johns Hopkins Kimmel Cancer Center Bloomberg~Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy et de l’École de Médecine de l’Université Johns Hopkins. Publiée dans Nature, l’étude montre que la toxine, connue sous le nom de BFT et produite par Bacteroides fragilis, doit d’abord se fixer à une protéine hôte appelée claudin-4 avant de pouvoir endommager les cellules du côlon. La recherche a été en partie financée par les National Institutes of Health.
« Nous avons tenté à plusieurs reprises d’identifier le récepteur, donc c’est un moment excitant », déclare l’auteur principal Cynthia Sears, M.D., professeur de thérapie immunitaire contre le cancer à Johns Hopkins. « Comprendre comment fonctionnent les toxines bactériennes peut ouvrir des portes à de nouvelles approches pour la détection et la thérapie des maladies associées, y compris la diarrhée, le cancer colorectal et les infections sanguines. »
Un récepteur caché donne accès à la toxine intestinale dans les cellules du côlon
Les découvertes de l’équipe ont déjà inspiré une stratégie prometteuse pour bloquer la toxine. Les chercheurs ont développé un leurre moléculaire qui a réussi à intercepter le BFT dans des modèles animaux, empêchant ainsi les dommages au côlon.
Bacteroides fragilis se trouve chez jusqu’à 20 % des personnes en bonne santé, mais certaines souches peuvent déclencher une inflammation dans le côlon et favoriser la croissance tumorale. Des recherches antérieures du laboratoire de Sears ont montré que le BFT provoque une inflammation chronique en coupant l’E-cadhérine, une protéine qui aide à maintenir la barrière protectrice du côlon. Cette étude antérieure publiée dans Nature Medicine a également démontré que l’activité de la toxine favorise la formation de tumeurs coliques.
Une question majeure restait sans réponse. Le BFT ne semblait pas se lier directement à l’E-cadhérine, suggérant qu’une autre molécule aidait d’abord la toxine à accéder à sa cible.
Un criblage CRISPR révèle le lien manquant
Pour identifier cette pièce manquante, Maxwell White, candidat M.D./Ph.D. dans le laboratoire de Sears, a dirigé un effort de criblage CRISPR à l’échelle du génome en collaboration avec le laboratoire de Matthew Waldor à la Harvard Medical School.
Les chercheurs ont systématiquement désactivé des gènes individuels dans des cellules épithéliales coliques pour déterminer ceux qui étaient nécessaires au fonctionnement de la toxine. Une protéine s’est immédiatement distinguée : la claudin-4. Lorsque la claudin-4 était retirée, le BFT ne pouvait plus se fixer aux cellules, laissant l’E-cadhérine indemne.
« Cela a pris un certain temps pour faire fonctionner l’assai et valider l’approche, mais une fois que nous avons pu effectuer le criblage, la claudin-4 était un résultat clair et retentissant », déclare White. « C’était un moment excitant. »
La découverte a surpris les chercheurs. Sears explique que de nombreux scientifiques s’attendaient à ce que le récepteur soit une protéine de signalisation, comme un récepteur couplé aux protéines G, mais la claudin-4 appartient à une classe de protéines différente. Une revue des recherches antérieures n’a également pas réussi à découvrir une autre toxine qui se comporte de la même manière. La plupart des toxines protéases se lient directement aux molécules qu’elles attaquent au lieu de se fixer d’abord à un récepteur séparé.
Les scientifiques confirment la cible moléculaire de la toxine
Pour vérifier l’interaction, les chercheurs de Johns Hopkins se sont associés aux biologistes structuraux F. Xavier Gomis-Rüth et Ulrich Eckhard à l’Institut de Biologie Moléculaire de Barcelone.
En utilisant des techniques biophysiques, White et l’équipe de Barcelone ont montré que le BFT et la claudin-4 forment un complexe étroitement lié dans des expériences en laboratoire. Cela a fourni la première preuve physique directe que la toxine se fixe au récepteur avant d’endommager les cellules du côlon.
Les chercheurs ont ensuite testé leurs résultats dans des systèmes vivants par le biais d’une collaboration avec le laboratoire de Min Dong à la Harvard Medical School. En travaillant avec Kang Wang et ses collègues, ils ont examiné comment la toxine se comportait dans des modèles murins.
Un leurre moléculaire protège les souris de la toxine intestinale
L’équipe a créé une version soluble de la claudin-4 qui agissait comme un leurre en affichant des portions du récepteur normalement reconnues par la toxine. Plutôt que de se lier aux cellules du côlon, le BFT se fixait aux protéines leurres à la place.
Cette stratégie a réussi à protéger les souris des dommages coliques induits par le BFT.
« Cette approche pourrait être itérée avec de petites molécules ou d’autres biologiques ayant de meilleures propriétés pharmacologiques », déclare White. L’équipe étudie maintenant quels types de thérapies pourraient être les plus efficaces pour bloquer la toxine.
Des questions demeurent
Bien que les chercheurs aient identifié le récepteur et démontré qu’il se lie étroitement au BFT, un défi important reste non résolu. Ils n’ont pas encore capturé la structure expérimentale précise montrant exactement comment la toxine et la claudin-4 s’imbriquent.
Les outils de modélisation par intelligence artificielle actuels, y compris AlphaFold, n’ont pas réussi à résoudre complètement l’interaction.
Les auteurs supplémentaires de l’article incluent Jason Chen, Shaoguang Wu, Abby L. Geis et Jessica Queen de Johns Hopkins et Hailong Zhang, Karthik Hullahalli et Jie Zhang de la Harvard Medical School.
La recherche a été soutenue par le Bloomberg~Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy, Janssen Research and Development, Cancer Research UK, les National Institutes of Health (numéros de subvention R01 AI042347, R01 NS080833, R01 NS117626, R01 AI170835 et R01 AI189789) et le Howard Hughes Medical Institute.
Sears perçoit des redevances pour avoir écrit et examiné pour UpToDate. Cet arrangement est géré par l’Université Johns Hopkins conformément à ses politiques de conflit d’intérêts.
