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A maioria das proteínas localiza-se em gotículas distintas ricas em proteínas nas células, também conhecidas como “condensados celulares”. Essas proteínas contêm características de sequência que funcionam como rótulos de endereço, informando à proteína em qual condensado se mover. Quando os rótulos ficam estragados, as proteínas podem acabar no condensado errado. Segundo uma equipe internacional de pesquisadores de medicina clínica e biologia básica, essa pode ser a causa de muitas doenças não resolvidas. As descobertas foram publicadas na revista Natureza.
Pacientes com síndrome BPTA têm membros caracteristicamente malformados com dedos curtos e dedos adicionais, falta de ossos da tíbia nas pernas e tamanho reduzido do cérebro. Como descobriram os pesquisadores, o BPTAS é causado por uma alteração genética especial que faz com que uma proteína essencial migre para o nucléolo, uma grande gota proteica no núcleo da célula. Como resultado, a função do condensado nucleolar é inibida e a doença do desenvolvimento se desenvolve.
“O que descobrimos nesta doença pode se aplicar a muitos outros distúrbios. Provavelmente não é um unicórnio raro que existe apenas uma vez. Só não pudemos ver o fenômeno até agora porque não sabíamos como procurá-lo”, diz Denise Horn, geneticista clínico do Instituto de Genética Médica e Humana da Charité – Universitätsmedizin Berlin.
Em colaboração com cientistas do Instituto Max Planck de Genética Molecular (MPIMG) em Berlim, do Hospital Universitário Schleswig-Holstein (UKSH) e colaboradores de todo o mundo, a equipe está abrindo uma porta para novos diagnósticos que podem levar a a elucidação de inúmeras outras doenças, bem como possíveis terapias futuras.
“Descobrimos um novo mecanismo que pode estar em jogo em uma ampla gama de doenças, incluindo doenças hereditárias e câncer”, diz Denes Hnisz, líder do grupo de pesquisa do MPIMG. “Na verdade, descobrimos mais de 600 mutações semelhantes, 101 das quais são conhecidas por estarem associadas a diferentes distúrbios”.
“O trabalho real está apenas começando agora”, acrescenta o geneticista humano Malte Spielmann, do UKSH em Lübeck e Kiel. “Vamos encontrar muito mais genes com essas mutações causadoras de doenças e agora podemos testar seu modo de ação”.
Uma mutação incomum
Os indivíduos afetados têm malformações complexas e marcantes dos membros, face e sistemas nervoso e ósseo, apenas parcialmente descritas pelo já longo nome da doença “braquifalangia-polidactilia-tibial aplasia/síndrome de hipoplasia” (BPTAS).
“Com menos de dez casos documentados em todo o mundo, a doença não é apenas rara, mas ultra-rara”, diz Martin Mensah, geneticista clínico do Instituto de Genética Médica e Humana de Charité. Para rastrear a causa, ele e seus colegas decodificaram o genoma de cinco indivíduos afetados e descobriram que o gene da proteína HMGB1 estava alterado em todos os pacientes.
Essa proteína tem a função de organizar o material genético no núcleo da célula e facilitar a interação de outras moléculas com o DNA, por exemplo, para a leitura de genes.
Em camundongos, uma perda completa do gene em ambos os cromossomos é catastrófica e leva à morte do embrião. Em alguns pacientes com apenas uma cópia mutada, no entanto, as células estão usando a cópia intacta no outro cromossomo, resultando apenas em um leve atraso no neurodesenvolvimento. Mas os casos recém-descobertos não se encaixavam nesse esquema.
“Todos os cinco indivíduos não relacionados apresentaram o mesmo distúrbio ultra-raro e tiveram praticamente a mesma mutação”, diz Mensah, que é membro do Programa de Cientistas Clínicos operado pelo Instituto de Saúde de Berlim em Charité (BIH) e Charité. “É por isso que temos certeza de que a mutação HMGB1 é a causa da doença. outros fenótipos”.
Extensões de proteína carregada
Um olhar mais atento revelou que diferentes mutações de HMGB1 têm consequências diferentes. Os dados de sequenciamento mostraram que nos indivíduos afetados com malformações graves, o quadro de leitura para o terço final do gene HMGB1 é alterado.
Após a tradução em proteína, a região correspondente agora não está mais equipada com blocos de construção de aminoácidos negativos, mas com carga positiva. Isso pode acontecer se um número de letras genéticas não divisíveis por três estiver faltando na sequência, porque exatamente três letras consecutivas sempre codificam um bloco de construção da proteína.
No entanto, a parte da cauda da proteína não possui uma estrutura definida. Em vez disso, essa seção fica pendurada na molécula como um elástico solto. Os propósitos de tais caudas de proteína (também chamadas de “regiões intrinsecamente desordenadas”) são difíceis de estudar porque muitas vezes se tornam eficazes apenas em conjunto com outras moléculas. Então, como a mutação pode levar à doença observada?
Gotículas de proteína na célula
Para responder a essa pergunta, os pesquisadores médicos abordaram os bioquímicos Denes Hnisz e Henri Niskanen do MPIMG, que trabalham com condensados celulares que controlam genes importantes. Essas estruturas semelhantes a gotículas se comportam de maneira muito semelhante às gotículas de óleo e vinagre em um molho para salada. Compostos por um grande número de moléculas diferentes, eles são separados de seus arredores e podem sofrer mudanças dinâmicas.
“Achamos que os condensados são formados na célula por razões práticas”, explica Niskanen. As moléculas para uma tarefa específica são agrupadas dessa maneira, digamos, para ler um gene. Apenas para esta tarefa, diz ele, várias centenas de proteínas precisam de alguma forma chegar ao lugar certo.
“Regiões intrinsecamente desordenadas, que tendem a não ter um papel bioquímico óbvio, são consideradas responsáveis pela formação de condensados”, diz Niskanen, dando um exemplo para descrever a importância das propriedades físicas das extensões de proteína nesse aspecto. “Posso facilmente fazer uma bola com muitos elásticos soltos que se mantêm relativamente firmes e que podem ser desmontados com pouco esforço. Uma bola de linha de pesca lisa ou fita adesiva, por outro lado, se comportaria de maneira bem diferente.”
Gotículas de solidificação
O nucléolo dentro do núcleo da célula também é um condensado, que aparece como uma mancha escura difusa sob o microscópio. É aqui que muitas proteínas com caudas carregadas positivamente gostam de permanecer. Muitos deles fornecem o maquinário necessário para a síntese de proteínas, tornando esse condensado essencial para as funções celulares.
A proteína mutante HMGB1 com sua cauda molecular carregada positivamente também é atraída para o nucléolo, como a equipe observou em experimentos com proteínas isoladas e com culturas de células.
Mas como a região da proteína mutante também ganhou uma parte oleosa e pegajosa, ela tende a se aglomerar. O nucléolo perde suas propriedades fluidas e se solidifica cada vez mais, o que Niskanen pôde observar ao microscópio. Isso prejudicou as funções vitais das células – com a proteína mutante, mais células em uma cultura morreram em comparação com uma cultura de células sem a mutação.
Combinando bancos de dados
A equipe de pesquisa então pesquisou bancos de dados de dados genômicos de milhares de indivíduos em busca de incidentes semelhantes. Na verdade, os cientistas foram capazes de identificar mais de seiscentas mutações semelhantes em 66 proteínas, nas quais o quadro de leitura foi alterado por uma mutação na cauda da proteína, tornando-a mais carregada positivamente e mais “gordurosa”. Das mutações, 101 já haviam sido associadas a vários distúrbios diferentes.
Para um ensaio de cultura celular, a equipe selecionou 13 genes mutantes. Em 12 dos 13 casos, as proteínas mutantes tiveram preferência para se localizar no nucléolo. Cerca de metade das proteínas testadas prejudicaram a função do nucléolo, assemelhando-se ao mecanismo da doença da síndrome BPTA.
Novas explicações para doenças existentes
“Para a pesquisa clínica, nosso estudo pode ter um efeito revelador”, diz Malte Spielmann, que liderou a pesquisa junto com Denes Hnisz e Denise Horn. “No futuro, certamente poderemos elucidar as causas de algumas doenças genéticas e, com sorte, um dia tratá-las.”
No entanto, “doenças genéticas congênitas como BPTAS são quase impossíveis de curar, mesmo com nosso novo conhecimento”, diz Horn. “Como as malformações já se desenvolvem no útero, elas teriam que ser tratadas com medicamentos antes de se desenvolverem. Isso seria muito difícil de fazer.”
Mas as doenças tumorais também são predominantemente determinadas geneticamente, acrescenta Hnisz: “Os condensados celulares e a separação de fase associada são um mecanismo fundamental da célula que também desempenha um papel no câncer. As chances de desenvolver terapias direcionadas para isso são muito melhores”.
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