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As células são espaços altamente controlados que dependem de cada proteína estar no lugar certo. Muitas doenças, incluindo cânceres e distúrbios neurodegenerativos, estão associadas a proteínas mal colocadas. Em alguns cânceres, por exemplo, uma proteína que normalmente fica de guarda sobre o DNA replicando no núcleo é enviada para longe do DNA que deveria monitorar, permitindo que os cânceres cresçam.
Steven Banik, professor assistente de química na Escola de Humanidades e Ciências e pesquisador do instituto Sarafan ChEM-H na Universidade de Stanford, e seu laboratório desenvolveram um novo método para ajudar a forçar proteínas deslocadas de volta para seus devidos lares dentro das células. O método envolve religar a atividade de transportadores naturais para ajudar a mover proteínas para diferentes partes da célula. A equipe criou uma nova classe de moléculas chamadas “moléculas ativadoras de relocalização direcionadas” ou TRAMs que convencem esses transportadores naturais a levar cargas diferentes — como as proteínas que são exportadas do núcleo em alguns tipos de câncer — junto para o passeio. Publicado em Natureza em 18 de setembro, essa estratégia pode levar a uma terapia para corrigir o deslocamento de proteínas associado a doenças e também para criar novas funções nas células.
“Estamos pegando proteínas perdidas e trazendo-as de volta para casa”, disse Banik.
Ônibus e passageiros
Nossas células contêm muitos compartimentos, como o núcleo, o lar seguro do DNA, ou as mitocôndrias, onde a energia é produzida. Entre todos esses compartimentos está o citoplasma. Em todos os muitos locais da célula há proteínas. Elas são responsáveis por todos os tipos de ações — construir e quebrar moléculas, contrair músculos, enviar sinais — mas para que funcionem corretamente, elas têm que fazer suas respectivas ações no lugar certo.
“As células são lugares realmente lotados”, disse Banik. “As proteínas estão zunindo pela multidão, passando por todos os tipos de outras moléculas, como RNA, lipídios e outras proteínas. Então, a função de uma proteína é limitada pelo que ela pode fazer e por sua proximidade com outras moléculas.”
Às vezes, as doenças tiram vantagem dessa necessidade de proximidade ao mutar proteínas que, de outra forma, poderiam proteger uma célula de danos. Esses tipos de mutações são como colocar o endereço errado em um pacote, enganando proteínas para irem aonde elas nunca iriam em células saudáveis.
Às vezes, esse movimento faz com que a proteína pare de funcionar completamente. Proteínas que agem no DNA, por exemplo, não encontrarão nenhum DNA no citoplasma e flutuarão sem fazer nada. Outras vezes, esse movimento leva uma proteína a se tornar um mau ator. Na ELA, por exemplo, uma mutação envia uma certa proteína, chamada FUS, para fora do núcleo e para o citoplasma, onde se agrega em aglomerados tóxicos e eventualmente mata a célula.
Banik e sua equipe se perguntaram se poderiam combater esse deslocamento proposital de proteínas usando outras proteínas como ônibus espaciais para transportar proteínas de passageiros para seu devido lar. Mas esses ônibus espaciais geralmente têm outras funções, então a equipe precisaria convencer o ônibus espacial a receber carga e transportá-la para um novo lugar.
Para fazer isso, Banik e sua equipe desenvolveram um novo tipo de molécula de duas cabeças chamada TRAM. Uma cabeça é projetada para grudar no ônibus espacial, e a outra é projetada para grudar no passageiro. Se o ônibus espacial for forte o suficiente, ele levará o passageiro ao seu devido lugar.
Junto para o passeio
A equipe se concentrou em dois tipos promissores de ônibus espaciais, um que arrasta proteínas para o núcleo e outro que exporta proteínas do núcleo. Christine Ng, uma estudante de pós-graduação em química e primeira autora do artigo, projetou e construiu TRAMs que atrelam ônibus espacial e passageiro. Se um passageiro no citoplasma acabasse no núcleo, eles saberiam que seu TRAM havia funcionado.
O primeiro desafio foi imediato: não havia métodos confiáveis para medir a quantidade de uma proteína em um local específico em células individuais. Então Ng desenvolveu um novo método para quantificar a quantidade e a localização de proteínas passageiras dentro de uma célula em um determinado momento. Química por formação, ela teve que aprender novas habilidades de microscopia e análise computacional para fazer isso.
“A natureza é inerentemente complexa e interconectada, então é crucial ter abordagens interdisciplinares”, disse Ng. “Tomar emprestada lógica ou ferramentas de um campo para abordar um problema em outro campo frequentemente resulta em perguntas e descobertas muito emocionantes do tipo ‘e se’.”
Em seguida, ela colocou isso à prova. Seus TRAMs moveram com sucesso proteínas de passageiros para dentro e para fora do núcleo, dependendo do ônibus espacial que eles usaram. Esses experimentos iniciais a ajudaram a gerar algumas “regras” básicas para o design, como o quão forte um ônibus espacial tinha que ser para superar a tendência do passageiro de puxar em outra direção.
O próximo desafio era se eles conseguiriam projetar TRAMs que pudessem ser medicamentos, que revertessem o movimento de proteínas causadoras de doenças. Primeiro, eles criaram um TRAM que relocalizaria o FUS, a proteína que é enviada para fora do núcleo e forma grânulos perigosos em pacientes com ELA. Depois de tratar as células com seu TRAM, a equipe viu que o FUS foi transportado de volta para seu lar natural no núcleo, e que os aglomerados tóxicos diminuíram e as células ficaram menos propensas a morrer.
Eles então voltaram sua atenção para uma mutação bem conhecida em camundongos que os torna mais resistentes à neurodegeneração. A mutação, famosamente estudada pelo falecido Ben Barres e outros, faz com que uma certa proteína viaje para longe do núcleo pelo axônio nos neurônios.
A equipe se perguntou se eles poderiam construir um TRAM que imitasse o efeito protetor da mutação, levando a proteína para um passeio até o final do axônio. Seu TRAM não apenas moveu a proteína alvo para baixo do axônio, mas também tornou a célula mais resistente ao estresse que imita a neurodegeneração.
Em todos esses exemplos, a equipe enfrentou um desafio contínuo: projetar a cabeça do TRAM que mira os passageiros é difícil porque os cientistas ainda não identificaram todas as moléculas possíveis que poderiam se ligar aos passageiros-alvo. Para contornar isso, a equipe usou ferramentas genéticas para instalar uma etiqueta adesiva nesses passageiros. No futuro, porém, eles esperam conseguir encontrar pedaços adesivos naturais nesses passageiros e desenvolver TRAMs em novos tipos de medicamentos.
Embora eles tenham se concentrado em dois ônibus espaciais, o método pode ser generalizado para quaisquer outros ônibus espaciais, como aqueles que empurram coisas para a superfície da célula, onde ocorre a comunicação com outras células.
E além de enviar proteínas mutadas de volta para onde elas pertencem, a equipe também espera que os TRAMs possam ser usados para enviar proteínas saudáveis para partes da célula que elas normalmente não conseguem acessar, criando novas funções que ainda não sabemos se são possíveis.
“É emocionante porque estamos apenas começando a aprender as regras”, disse Banik. “Se mudarmos o equilíbrio, se uma proteína de repente tiver acesso a novas moléculas em uma nova parte da célula em um novo momento, o que ela fará? Quais funções poderíamos desbloquear? Que nova parte da biologia poderíamos entender?”
Banik também é membro da Bio-X e da Wu Tsai Human Performance Alliance. Outros coautores de Stanford incluem Aofei Liu, ex-aluno de pós-graduação em química, e Bianxiao Cui, o Job e Gertrud Tamaki Professor of Chemistry. Cui é membro da Bio-X, do Cardiovascular Institute e do Wu Tsai Neurosciences Institute, e é membro do corpo docente do Sarafan ChEM-H. Este trabalho foi apoiado por uma bolsa A*STAR e pelo NIH/NIGMS.
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