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Os seres vivos, das bactérias às plantas e aos seres humanos, devem ajustar constantemente a sopa química de proteínas – as moléculas fundamentais da vida – dentro das suas células para se adaptarem ao stress ou às mudanças nas condições, como quando os nutrientes são escassos ou quando um agente patogénico ataca.
Agora, os investigadores identificaram um mecanismo molecular até então desconhecido que ajuda a explicar como o fazem.
Estudando uma planta esguia chamada Arabidopsis thaliana, uma equipe liderada pela Duke University descobriu pequenos fragmentos de RNA dobrado que, em condições normais, mantêm baixos os níveis de proteínas de defesa para evitar danos às próprias plantas. Mas quando as plantas detectam um patógeno, essas estruturas dobradas de RNA são descompactadas, permitindo que as células vegetais produzam proteínas de defesa para combater infecções.
Esta descoberta não se aplica apenas às plantas, observaram os autores em sua publicação de 6 de setembro na revista Natureza. Eles também descobriram que essas estruturas de RNA também têm efeitos semelhantes na produção de proteínas nas células humanas.
“É mais uma ferramenta em nosso kit” para controlar a produção de proteínas, disse o professor de biologia da Duke, Xinnian Dong, autor sênior do estudo.
No interior como uma sopa de cada célula do corpo, milhões de moléculas de proteínas realizam as tarefas da vida: são o equivalente celular de tijolos e vigas, fornecendo estrutura e suporte. Eles também são os mensageiros químicos da célula, enviando e recebendo sinais. E eles são os defensores, mobilizados em resposta aos invasores estrangeiros.
Para construir uma proteína, seções do modelo de DNA compactadas dentro do núcleo da célula são transcritas em moléculas mensageiras chamadas mRNA, que são instruções para a produção de proteínas. Estas instruções são levadas ao resto da célula, onde dispositivos de descodificação chamados ribossomas traduzem a mensagem do ARNm para montar uma cadeia de aminoácidos, os blocos de construção de uma proteína.
Normalmente, os ribossomos examinam a molécula de mRNA até encontrarem uma sequência especial de três letras que diz: “comece aqui para produzir uma proteína”.
Mas no novo estudo, Dong e Yezi Xiang, Ph.D. estudante no laboratório de Dong, descobriu que, quando um Arabidopsis Quando uma plântula detecta um agente patogénico potencial, os ribossomas da planta ignoram o sinal habitual de “início” para a síntese de proteínas e começam a traduzir o ARNm mais a jusante, construindo uma cadeia completamente diferente de aminoácidos – e, portanto, uma proteína diferente – necessária para combater a infecção.
Dong e sua equipe queriam saber: como as células fazem a mudança de um local inicial para outro?
Para compreender melhor esta rápida tomada de decisão celular que ocorre quando uma planta detecta um invasor, os investigadores recorreram a uma técnica, chamada SHAPE-MaP, que lhes permite detectar alterações no enrolamento do ARNm nas células vivas.
Perto da habitual “luz verde” que põe em movimento a síntese de proteínas, os pesquisadores descobriram pequenos trechos de mRNA que se dobram sobre si mesmos para formar estruturas de fita dupla em “gancho de cabelo”.
Em condições normais, esses grampos atuam como freios, impedindo que os ribossomos produzam proteínas de defesa cujas instruções estão mais a jusante.
Mas quando Arabidopsis As mudas sentem que estão sob ataque, são produzidas enzimas especiais chamadas RNA helicases que descompactam os grampos para que os ribossomos possam passar e continuar a varredura ao longo da molécula de mRNA.
“Com a remoção desses sinais de parada, os ribossomos não param por aí, mas descem ainda mais para traduzir as proteínas de defesa”, disse Dong.
Embora a equipe tenha feito a maior parte de seus experimentos em Arabidopsis plantas, helicases de RNA semelhantes e estruturas em gancho foram encontradas em outros organismos, desde leveduras até humanos, sugerindo que este mecanismo para reprogramar a síntese de proteínas pode ser difundido.
Em experimentos de acompanhamento, os pesquisadores usaram o aprendizado de máquina para criar um projeto para um grampo de mRNA feito em laboratório e o adicionaram aos genes humanos. Os grampos sintéticos também funcionaram para alterar a produção de proteínas nas células humanas.
A equipe entrou com um pedido de patente provisória sobre a descoberta.
Dong diz que as descobertas podem levar a novas maneiras de desenvolver culturas que sejam “não apenas resistentes a patógenos, mas também a estresses ambientais como calor, frio e seca”.
No futuro, disse Dong, também poderá ser possível projetar grampos de mRNA para edição de genoma para ajudar a combater infecções ou tratar doenças em pessoas.
“O objetivo é ajudar as células a produzir a quantidade certa de proteína, na hora certa e no lugar certo”, disse Dong. “Este é um passo em direção a esse objetivo.”
Este trabalho foi apoiado por doações da US National Science Foundation (IOS-1645589 e IOS-2041378), do Howard Hughes Medical Institute, do State Key Research Development Program of China (2019YFA0110002), da Natural Science Foundation of China (32125007 e 91940306). ) e os Institutos Nacionais de Saúde dos EUA (R35-GM122532).
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