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Proteínas de vida curta controlam a expressão genética nas células para realizar uma série de tarefas vitais, desde ajudar o cérebro a formar conexões até ajudar o corpo a montar uma defesa imunológica. Essas proteínas são produzidas no núcleo e são rapidamente destruídas depois de realizarem seu trabalho.
Apesar da sua importância, o processo pelo qual estas proteínas são decompostas e removidas das células quando já não são necessárias tem escapado aos cientistas durante décadas – até agora.
Numa colaboração interdepartamental, investigadores da Harvard Medical School identificaram uma proteína chamada midnolin que desempenha um papel fundamental na degradação de muitas proteínas nucleares de vida curta. O estudo mostra que a midnolin faz isso agarrando diretamente as proteínas e puxando-as para o sistema celular de eliminação de resíduos, chamado proteassoma, onde são destruídas.
As descobertas foram publicadas em 24 de agosto em Ciência.
“Essas proteínas específicas de vida curta são conhecidas há mais de 40 anos, mas ninguém havia estabelecido como elas são realmente degradadas”, disse o co-autor principal Xin Gu, pesquisador em neurobiologia no HMS.
Como as proteínas decompostas por este processo modulam genes com funções importantes relacionadas com o cérebro, o sistema imunitário e o desenvolvimento, os cientistas poderão eventualmente ser capazes de direcionar o processo como uma forma de controlar os níveis de proteína para alterar estas funções e corrigir qualquer disfunção.
“O mecanismo que encontramos é muito simples e bastante elegante”, acrescentou o coautor principal Christopher Nardone, candidato a doutorado em genética na HMS. “É uma descoberta científica básica, mas há muitas implicações para o futuro.”
Um mistério molecular
Está bem estabelecido que as células podem quebrar proteínas marcando-as com uma pequena molécula chamada ubiquitina. A etiqueta informa ao proteassoma que as proteínas não são mais necessárias e as destrói. Grande parte da pesquisa pioneira sobre esse processo foi feita pelo falecido Fred Goldberg, da HMS.
No entanto, às vezes o proteassoma decompõe proteínas sem a ajuda de marcadores de ubiquitina, levando os pesquisadores a suspeitar que havia outro mecanismo de degradação de proteínas, independente da ubiquitina.
“Tem havido evidências esporádicas na literatura de que de alguma forma o proteassoma pode degradar diretamente proteínas não marcadas, mas ninguém entendeu como isso pode acontecer”, disse Nardone.
Um grupo de proteínas que parecia ser degradado por um mecanismo alternativo são os fatores de transcrição induzidos por estímulos: proteínas produzidas rapidamente em resposta a estímulos celulares que viajam até o núcleo de uma célula para ativar genes, após o que são rapidamente destruídas.
“O que me impressionou no início é que estas proteínas são extremamente instáveis e têm uma meia-vida muito curta – uma vez produzidas, desempenham a sua função e são rapidamente degradadas depois”, disse Gu.
Esses fatores de transcrição apoiam uma série de processos biológicos importantes no corpo, mas mesmo depois de décadas de pesquisa, “o mecanismo de sua renovação era em grande parte desconhecido”, disse Michael Greenberg, Professor de Neurobiologia Nathan Marsh Pusey no Instituto Blavatnik do HMS e co-autor sênior do artigo com Stephen Elledge, professor Gregor Mendel de genética e medicina no HMS e no Brigham and Women’s Hospital.
De um punhado a centenas
Para investigar este mecanismo, a equipa começou com dois factores de transcrição familiares: Fos, estudado extensivamente pelo laboratório de Greenberg pelo seu papel na aprendizagem e na memória, e EGR1, que está envolvido na divisão e sobrevivência celular. Usando proteínas sofisticadas e análises genéticas desenvolvidas no laboratório Elledge, os pesquisadores se concentraram na midnolin como uma proteína que ajuda a quebrar ambos os fatores de transcrição. Experimentos de acompanhamento revelaram que, além de Fos e EGR1, a midnolin também pode estar envolvida na quebra de centenas de outros fatores de transcrição no núcleo.
Gu e Nardone lembram-se de terem ficado chocados e céticos em relação aos resultados. Para confirmar as suas descobertas, eles decidiram que precisavam de descobrir exatamente como a midnolin atinge e degrada tantas proteínas diferentes.
“Depois que identificamos todas essas proteínas, surgiram muitas questões intrigantes sobre como o mecanismo da midnolin realmente funciona”, disse Nardone.
Com a ajuda de uma ferramenta de aprendizado de máquina chamada AlphaFold, que prevê estruturas de proteínas, além de resultados de uma série de experimentos de laboratório, a equipe conseguiu detalhar os detalhes do mecanismo. Eles estabeleceram que a midnolin tem um “domínio de captura” – uma região da proteína que captura outras proteínas e as alimenta diretamente no proteassoma, onde são decompostas. Este domínio Catch é composto por duas regiões separadas ligadas por aminoácidos (pense em luvas em um barbante) que capturam uma região relativamente não estruturada de uma proteína, permitindo assim que a midnolin capture muitos tipos diferentes de proteínas.
Dignos de nota são proteínas como Fos, responsáveis por ativar genes que estimulam os neurônios do cérebro a se conectarem e se reconectarem em resposta a estímulos. Outras proteínas como o IRF4 ativam genes que apoiam o sistema imunológico, garantindo que as células possam produzir células B e T funcionais.
“O aspecto mais interessante deste estudo é que agora entendemos um novo mecanismo geral, independente da ubiquitinação, que degrada proteínas”, disse Elledge.
Potencial de tradução tentador
No curto prazo, os pesquisadores querem se aprofundar no mecanismo que descobriram. Eles estão planejando estudos estruturais para entender melhor os detalhes em escala de como a midnolin captura e degrada proteínas. Eles também estão fazendo com que camundongos sem midnolin entendam o papel da proteína em diferentes células e estágios de desenvolvimento.
Os cientistas dizem que a sua descoberta tem um potencial de tradução tentador. Pode oferecer um caminho que os investigadores podem aproveitar para controlar os níveis de factores de transcrição, modulando assim a expressão genética e, por sua vez, os processos associados no corpo.
“A degradação das proteínas é um processo crítico e a sua desregulação está subjacente a muitos distúrbios e doenças”, incluindo certas condições neurológicas e psiquiátricas, bem como alguns cancros, disse Greenberg.
Por exemplo, quando as células têm muitos ou poucos fatores de transcrição, como Fos, podem surgir problemas de aprendizagem e memória. No mieloma múltiplo, as células cancerígenas tornam-se viciadas na proteína imunológica IRF4, pelo que a sua presença pode alimentar a doença. Os investigadores estão especialmente interessados em identificar doenças que possam ser boas candidatas para o desenvolvimento de terapias que funcionem através da via midnolin-proteassoma.
“Uma das áreas que estamos explorando ativamente é como ajustar a especificidade do mecanismo para que ele possa degradar especificamente as proteínas de interesse”, disse Gu.
O financiamento foi fornecido por uma bolsa da National Mah Jongg League da Damon Runyon Cancer Research Foundation, uma bolsa de pesquisa de pós-graduação da National Science Foundation e pelos Institutos Nacionais de Saúde (T32 HG002295; R01 NS115965; AG11085).
Elledge é fundador da TScan Therapeutics, Maze Therapeutics, ImmuneID e Mirimus, atua nos conselhos consultivos científicos da Homology Medicines, ImmuneID, Maze Therapeutics, X-Chem e TScan Therapeutics, e é consultor da MPM Capital.
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