.
Novas pesquisas de uma equipe multidisciplinar ajudam a esclarecer os mecanismos por trás dos ritmos circadianos, oferecendo uma nova esperança para lidar com jet lag, insônia e outros distúrbios do sono.
Usando técnicas inovadoras de microscopia crioeletrônica, os pesquisadores identificaram a estrutura do fotossensor do ritmo circadiano e seu alvo nas moscas-das-frutas (Drosophila melanogaster), um dos principais organismos usados para estudar os ritmos circadianos. A pesquisa “Cryptochrome-Timeless Structure Reveals Circadian Clock Timing Mechanisms” publicada em 26 de abril na Natureza.
A pesquisa se concentrou nos criptocromos da mosca da fruta, componentes-chave dos relógios circadianos de plantas e animais, incluindo humanos. Em moscas e outros insetos, os criptocromos, ativados pela luz azul, servem como os principais sensores de luz para definir os ritmos circadianos. O alvo do fotossensor criptocromo, conhecido como “Timeless” (TIM), é uma proteína grande e complexa que não poderia ser visualizada anteriormente e, portanto, suas interações com o criptocromo não são bem compreendidas.
Os ritmos circadianos funcionam através do que são basicamente ciclos de feedback genético. Os pesquisadores descobriram que a proteína TIM, juntamente com sua parceira, a proteína Period (PER), atuam em conjunto para inibir os genes responsáveis por sua própria produção. Com atrasos adequados entre os eventos de expressão gênica e repressão, uma oscilação nos níveis de proteína é estabelecida.
Essa oscilação representa “o tique-taque do relógio e parece ser bastante exclusiva do ritmo circadiano”, disse o autor sênior Brian Crane, professor de George W. e Grace L. Todd e presidente de química e biologia química no College of Arts. e Ciências.
A luz azul, disse Crane, altera a química e a estrutura do cofator flavina do criptocromo, o que permite que a proteína se ligue à proteína TIM e iniba a capacidade do TIM de reprimir a expressão gênica e, assim, redefinir a oscilação.
Grande parte do trabalho duro do estudo foi descobrir como produzir o complexo de criptocromo-TIM para que pudesse ser estudado, porque o TIM é uma proteína tão grande e difícil de manejar, disse Crane. Para alcançar seus resultados, o primeiro autor Changfan Lin, MS ’17, Ph.D. ’21, modificou a proteína criptocromo para melhorar a estabilidade do complexo criptocromo-TIM e usou técnicas inovadoras para purificar as amostras, tornando-as adequadas para imagens de alta resolução.
“Esses novos métodos nos permitiram obter imagens detalhadas das estruturas das proteínas e obter informações valiosas sobre sua função”, disse Lin, bolsista de pós-doutorado da Friedrich’s Ataxia Research Alliance no California Institute of Technology. “Esta pesquisa não apenas aprofunda nossa compreensão do ritmo circadiano regulamentação, mas também abre novas possibilidades para o desenvolvimento de terapias visando processos relacionados.”
O co-autor Shi Feng, um estudante de doutorado no campo da biofísica, fez grande parte do trabalho de microscopia crioeletrônica. Cristina C. DeOliveira, doutoranda na área de bioquímica e biologia molecular e celular, também foi coautora.
Um resultado inesperado do estudo lança luz sobre como o dano ao DNA é reparado em uma célula. Os criptocromos estão intimamente relacionados a uma família de enzimas envolvidas na reparação de danos ao DNA, chamadas fotoliases. Crane disse que a pesquisa “explica por que essas famílias de proteínas estão intimamente relacionadas entre si, embora estejam fazendo coisas bem diferentes – elas estão fazendo uso do mesmo reconhecimento molecular em diferentes contextos”.
O estudo também oferece uma explicação para a variação genética das moscas que permite que elas se adaptem a latitudes mais altas, onde os dias são mais curtos no inverno e mais frios. Essas moscas têm mais de uma certa variante genética que envolve uma mudança na proteína TIM, e não ficou claro por que a variação poderia ajudá-las. Os pesquisadores descobriram que, devido à forma como o criptocromo se liga ao TIM, a variação reduz a afinidade do TIM pelo criptocromo. A interação entre as proteínas é então modulada e a capacidade da luz de redefinir a oscilação é alterada, alterando o relógio circadiano e estendendo o período de dormência da mosca, o que a ajuda a sobreviver ao inverno.
“Algumas das interações que vemos aqui na mosca da fruta podem ser mapeadas em proteínas humanas”, disse Crane. “Este estudo pode nos ajudar a entender as principais interações entre os componentes que regulam o comportamento do sono nas pessoas, por exemplo, como os atrasos críticos no mecanismo básico de temporização são incorporados ao sistema”.
Outra descoberta emocionante, disse Lin, foi a descoberta de uma importante área estrutural no TIM, chamada de “ranhura”, que ajuda a explicar como o TIM entra no núcleo da célula. Estudos anteriores haviam identificado alguns fatores envolvidos nesse processo, mas o mecanismo exato ainda não estava claro. “Nossa pesquisa forneceu uma compreensão mais clara desse fenômeno”, disse Lin.
.
