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Uma das classes mais importantes de enzimas humanas são as proteínas quinases – moléculas sinalizadoras que regulam quase todas as atividades celulares, incluindo crescimento, divisão celular e metabolismo. A disfunção nessas vias celulares pode levar a uma variedade de doenças, particularmente o câncer.
Identificar as proteínas quinases envolvidas na disfunção celular e no desenvolvimento do câncer pode render muitos novos alvos de drogas, mas para a grande maioria dessas quinases, os cientistas não têm uma imagem clara de quais vias celulares estão envolvidas ou quais são seus substratos.
“Temos muitos dados de sequenciamento para genomas de câncer, mas o que estamos perdendo é o estudo em larga escala da via de sinalização e dos estados de ativação da proteína quinase no câncer. Se tivéssemos essa informação, teríamos uma ideia muito melhor de como para drogar tumores específicos”, diz Michael Yaffe, que é David H. Koch Professor of Science no MIT, diretor do MIT Center for Precision Cancer Medicine, membro do Koch Institute for Integrative Cancer Research do MIT e um dos autores do novo estudo.
Yaffe e outros pesquisadores criaram um atlas abrangente de mais de 300 proteínas quinases encontradas em células humanas e identificaram quais proteínas elas provavelmente visam e controlam. Esta informação pode ajudar os cientistas a decifrar muitas vias de sinalização celular e ajudá-los a descobrir o que acontece com essas vias quando as células se tornam cancerosas ou são tratadas com medicamentos específicos.
Lewis Cantley, professor de biologia celular na Harvard Medical School e Dana Farber Cancer Institute, e Benjamin Turk, professor associado de farmacologia na Yale School of Medicine, também são autores seniores do artigo, que aparece hoje na Natureza. Os principais autores do artigo são Jared Johnson, instrutor de farmacologia no Weill Cornell Medical College, e Tomer Yaron, estudante de pós-graduação no Weill Cornell Medical College.
“Uma pedra de Roseta”
O genoma humano inclui mais de 500 proteínas quinases, que ativam ou desativam outras proteínas marcando-as com uma modificação química conhecida como grupo fosfato. Para a maioria dessas quinases, as proteínas que visam são desconhecidas, embora pesquisas sobre quinases como MEK e RAF, ambas envolvidas em vias celulares que controlam o crescimento, tenham levado a novos medicamentos contra o câncer que inibem essas quinases.
Para identificar vias adicionais desreguladas nas células cancerígenas, os pesquisadores contam com a fosfoproteômica usando espectrometria de massa – uma técnica que separa moléculas com base em sua massa e carga – para descobrir proteínas que são mais altamente fosforiladas em células cancerígenas ou células saudáveis. No entanto, até agora, não havia uma maneira fácil de interrogar os dados de espectrometria de massa para determinar quais proteínas quinases são responsáveis pela fosforilação dessas proteínas. Por causa disso, não se sabe como essas proteínas são reguladas ou desreguladas na doença.
“Para a maioria dos fosfopeptídeos que são medidos, não sabemos onde eles se encaixam em uma via de sinalização. Não temos uma pedra de Rosetta que você possa usar para olhar para esses peptídeos e dizer, esta é a via que os dados está nos contando”, diz Yaffe. “A razão para isso é que, para a maioria das proteínas quinases, não sabemos quais são seus substratos”.
Vinte e cinco anos atrás, enquanto era pós-doutorando no laboratório de Cantley, Yaffe começou a estudar o papel das proteínas quinases nas vias de sinalização. Turk ingressou no laboratório logo depois, e os três passaram décadas estudando essas enzimas em seus próprios grupos de pesquisa.
“Esta é uma colaboração que começou quando Ben e eu estávamos no laboratório de Lew há 25 anos, e agora está finalmente se encaixando, impulsionada em grande parte pelo que os autores principais, Jared e Tomer, fizeram”, diz Yaffe.
Neste estudo, os pesquisadores analisaram duas classes de quinases – serina quinases e treonina quinases, que compõem cerca de 85 por cento das proteínas quinases no corpo humano – com base em que tipo de motivo estrutural eles colocam grupos de fosfato.
Trabalhando com uma biblioteca de peptídeos que Cantley e Turk haviam criado anteriormente para procurar motivos com os quais as quinases interagem, os pesquisadores mediram como os peptídeos interagiam com todas as 303 serinas e treoninas quinases conhecidas. Usando um modelo computacional para analisar as interações que observaram, os pesquisadores conseguiram identificar as quinases capazes de fosforilar cada um dos 90.000 locais de fosforilação conhecidos que foram relatados em células humanas, para essas duas classes de quinases.
Para sua surpresa, os pesquisadores descobriram que muitas quinases com sequências de aminoácidos muito diferentes evoluíram para ligar e fosforilar os mesmos motivos em seus substratos. Eles também mostraram que cerca de metade das quinases estudadas têm como alvo uma das três classes principais de motivos, enquanto a metade restante é específica para uma das cerca de uma dúzia de classes menores.
Redes de decodificação
Este novo atlas de quinase pode ajudar os pesquisadores a identificar vias de sinalização que diferem entre células normais e cancerígenas, ou entre células cancerígenas tratadas e não tratadas, diz Yaffe.
“Este atlas de motivos quinase agora nos permite decodificar as redes de sinalização”, diz ele. “Podemos olhar para todos esses peptídeos fosforilados e mapeá-los de volta para uma quinase específica.”
Para demonstrar essa abordagem, os pesquisadores analisaram células tratadas com uma droga anticancerígena que inibe uma quinase chamada Plk1, que regula a divisão celular. Quando analisaram a expressão de proteínas fosforiladas, descobriram que muitas das afetadas eram controladas por Plk1, como esperavam. Para sua surpresa, eles também descobriram que esse tratamento aumentava a atividade de duas quinases envolvidas na resposta celular a danos no DNA.
O laboratório de Yaffe agora está interessado em usar este atlas para tentar encontrar outras vias de sinalização disfuncionais que impulsionam o desenvolvimento do câncer, particularmente em certos tipos de câncer para os quais nenhum condutor genético foi encontrado.
“Agora podemos usar a fosfoproteômica para dizer, talvez no tumor desse paciente, essas vias sejam reguladas positivamente ou sejam reguladas negativamente”, diz ele. “É provável que identifique vias de sinalização que conduzem ao câncer em condições nas quais não é óbvio qual é a genética que impulsiona o câncer”.
A pesquisa foi financiada pela Leukemia and Lymphoma Society, National Institutes of Health, Cancer Research UK, Brain Tumor Charity, Charles and Marjorie Holloway Foundation, MIT Center for Precision Cancer Medicine e Koch Institute Support (core) grant. do Instituto Nacional do Câncer.
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