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Cientistas do St. Jude Children’s Research Hospital e da Rockefeller University combinaram seus conhecimentos para obter uma melhor compreensão do regulador de condutância transmembrana da fibrose cística (CFTR). Mutações no CFTR causam fibrose cística, uma doença fatal sem cura. As terapias atuais que usam um medicamento chamado potencializador podem aumentar as funções do CFTR em alguns pacientes; mas como os potenciadores funcionam não é bem compreendido. As novas descobertas revelam como o CFTR funciona mecanicamente e como as mutações e potencializadores de doenças afetam essas funções. Com esta informação, os pesquisadores podem projetar terapias mais eficazes para a fibrose cística. O estudo foi publicado hoje na Natureza.
A fibrose cística é um distúrbio genético que faz com que as pessoas produzam muco muito espesso e pegajoso. Isso pode bloquear as vias aéreas e causar danos aos pulmões, além de causar problemas de digestão. A doença afeta cerca de 35.000 pessoas nos Estados Unidos. O CFTR é um canal aniônico, uma passagem que mantém o equilíbrio correto de sais e fluidos através das membranas epiteliais e outras. As mutações no CFTR são o que causa a fibrose cística, mas essas mutações podem afetar a função do CFTR de maneira diferente. Portanto, algumas drogas usadas para tratar a doença podem restaurar apenas parcialmente a função de formas mutantes específicas de CFTR.
Estruturas de CFTR, previamente capturadas no laboratório de Jue Chen, Ph.D., e colegas da Rockefeller University, revelaram duas conformações distintas (formas). Essas imagens estáticas permitiram aos pesquisadores ver o canal aberto ou fechado, mas a transição entre os estados não foi totalmente compreendida. As alterações conformacionais foram assim inferidas como importantes para a abertura e fechamento do canal, respondendo pelas propriedades eletrofisiológicas do CFTR, que vêm sendo analisadas há décadas. Essas descobertas alimentaram o interesse em visualizar diretamente as transições estruturais do CFTR em tempo real e examinar como as mudanças conformacionais são afetadas por mutações de doenças e por drogas usadas para melhorar a função CFTR em pacientes.
“Através desta colaboração, tivemos a oportunidade de realmente estabelecer a relação entre estrutura e função”, disse o co-autor Scott Blanchard, Ph.D., St. Jude Department of Structural Biology. “O trabalho anterior de nosso laboratório sobre ribossomos e receptores acoplados à proteína G mostrou que isso é possível, mas existem muito poucas proteínas isoladas que são mais relevantes para o tratamento de doenças do que CFTR porque os tratamentos para fibrose cística visam melhorar os defeitos no formas mutantes desta proteína.”
“A capacidade de fazer medições biofísicas e obter esses tipos de insights quantitativos é um dos avanços da imagem molecular única que nunca deixa de me surpreender.”
Colaboração leva a um avanço
A especialização complementar dos grupos de pesquisa foi fundamental para fazer suas descobertas. Por meio de eletrofisiologia e estudos estruturais, a equipe de Rockefeller foi capaz de orientar a colocação de sondas de molécula única pela equipe de St. Jude. Ao implantar a transferência de energia de ressonância de fluorescência de molécula única (smFRET), a equipe de St. Jude foi capaz de fornecer novos insights sobre as peças móveis do maquinário CFTR. Por meio da integração de microscopia crioeletrônica, eletrofisiologia e smFRET, o grupo de pesquisa conseguiu estabelecer as conexões necessárias para entender melhor como o CFTR funciona.
“Há potencial aqui para ajudar os pacientes com fibrose cística aprendendo sobre a estrutura e o comportamento do CFTR”, disse o primeiro autor Jesper Levring, da Rockefeller University. “Observando essas moléculas uma de cada vez usando esses métodos – eletrofisiologia de canal único e smFRET – poderíamos correlacionar a função do canal com as mudanças conformacionais e relacioná-lo com a biologia estrutural subjacente”.
O que os pesquisadores descobriram é que o CFTR exibe um mecanismo de gating hierárquico. Os dois domínios de ligação a nucleotídeos do CFTR dimerizam (combinam-se) antes da abertura do canal. Mudanças conformacionais dentro do canal dimerizado, relacionadas à hidrólise do ATP (uma reação onde a energia é liberada), regulam a condutância do cloreto. A importância dessa visão mecanicista foi ainda revelada pela descoberta de que as drogas potencializadoras Ivacaftor e GLPG1837 aumentam a atividade do canal aumentando a abertura dos poros enquanto os domínios de ligação ao nucleotídeo são dimerizados. Mutações que causam fibrose cística podem reduzir a eficiência da dimerização. Esses insights serão úteis para informar a busca por terapias clínicas mais eficazes.
“A coisa mais satisfatória sobre este trabalho é que respondemos a uma pergunta sobre como o CFTR funciona, que tem sido objeto de debate na área há muitos anos”, disse Chen, co-autor correspondente do estudo. “Cada método individual tem limitações, então você pode ter bons dados, mas ainda não ter as respostas. Ao combinar abordagens, chegamos a um mecanismo unificado que nos dá uma visão de como essa molécula funciona. Com esse entendimento, podemos testar como as mutações ou drogas afetam a função, que é como chegaremos a uma melhor terapêutica.”
Autores e financiamento
Os outros autores do estudo são Gabriel Fitzgerald, Weill Cornell Medicine; e Daniel Terry e Zeliha Kilic de St. Jude.
O estudo foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (GM079238), o Howard Hughes Medical Institute e ALSAC, a organização de arrecadação de fundos e conscientização de St. Jude.
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