Estudo de microRNA prepara cenário para melhorias em culturas

MicroRNAs são pequenas moléculas que podem guiar proteínas para diminuir a expressão genética, e a engenharia de versões artificiais permite que cientistas direcionem genes específicos para o melhoramento de culturas.

“Embora essas moléculas de microRNA sejam muito pequenas, seus impactos são enormes”, disse Xiuren Zhang, Ph.D., professora titular Christine Richardson no Departamento de Bioquímica e Biofísica da Faculdade de Agricultura e Ciências Biológicas do Texas A&M, professora adjunta no Departamento de Biologia da Faculdade de Artes e Ciências do Texas A&M e pesquisadora principal do estudo.

Changhao Li, Ph.D., e Xingxing Yan atuaram como coautores do estudo, com supervisão de Xiuren Zhang, Ph.D. O trabalho da equipe revisou substancialmente a compreensão atual da biogênese de microRNA no organismo modelo Arabidopsis thaliana. (Jiaying Zhu/Texas A&M AgriLife)

Usando mutações precisas e um projeto experimental inteligente, pesquisadores da Texas A&M AgriLife reavaliaram o cenário de microRNAs no organismo modelo Arabidopsis thaliana e descobriram que menos da metade deles foram identificados corretamente como microRNAs, enquanto os outros foram categorizados incorretamente ou requerem investigação adicional.

Além de esclarecer moléculas de microRNA genuínas em Arabidopsis thaliana, o estudo fornece um design experimental eficaz para repetir a análise em outras culturas e até mesmo em animais, que provavelmente precisam de uma revisão semelhante. As descobertas da equipe também os ajudaram a criar diretrizes atualizadas para projetar microRNAs artificiais, abrindo a porta para melhorias em culturas como milho, trigo, soja e arroz.

Xingxing Yan, um assistente de pesquisa de pós-graduação, e Changhao Li, Ph.D., um associado de pesquisa de pós-doutorado, foram coautores do estudo. Ele foi financiado pelo National Institutes of Health, National Science Foundation e Welch Foundation.

Um esforço de uma década

Os microRNAs têm um comprimento uniforme de cerca de 21 a 24 nucleotídeos. Mas em plantas, Zhang disse que seus precursores vêm em uma variedade de formas e tamanhos.

Devido à diversidade estrutural dos precursores, determinar quais características principais são mais importantes para seu processamento tem sido um desafio, e deixou a questão de como os microRNAs são gerados em plantas em grande parte inexplorada e não verificada.

Arabidopsis thaliana, também conhecida como thale cress e mouse-ear cress, é um organismo modelo para biologia vegetal. Seu genoma relativamente pequeno, rápido crescimento e produção de muitas sementes o tornam excepcionalmente útil em pesquisa. (Xingxing Yan/Texas A&M AgriLife)

Cerca de 10 anos atrás, Zhang disse que ele e seu laboratório encontraram um padrão entre um loop na estrutura do microRNA precursor e o primeiro local de corte. Este corte inicial é significativo porque determina o primeiro nucleotídeo na molécula de microRNA madura, um fator importante para direcioná-lo para o local correto em uma célula.

Infelizmente, dos 326 precursores de microRNA propostos em Arabidopsis thaliana, apenas alguns tinham o loop de referência ideal que o laboratório de Zhang encontrou — de acordo com os modelos computacionais, pelo menos.

“Os modelos são baseados em química pura”, disse Zhang. “Eles focam apenas na energia livre, no que deveria ser a forma mais estável. Mas não conseguiram explicar por que tantos precursores diversos podem acabar com produtos do mesmo tamanho.”

Em vez de confiar nos modelos, o laboratório de Zhang buscou verificar os precursores de microRNA dentro das plantas. Eles queriam encontrar os primeiros locais de corte nos precursores e confirmar seus determinantes estruturais dentro das células.

Descobertas inesperadas

Para fazer isso, os pesquisadores fizeram mutações altamente específicas na proteína dicer, que, como o próprio nome indica, é responsável por fazer cortes precisos no precursor do microRNA. Normalmente, a proteína age como duas mãos que seguram uma fita dupla de RNA precursor e cortam em um local em cada fita simultaneamente antes de liberar a molécula de RNA.

“Fizemos mutações pontuais em dois locais separadamente na proteína tipo dicer para torná-los semi-ativos”, disse Yan. “Dessa forma, eles podem cortar apenas uma fita e parar antes do processamento posterior. Isso nos dá uma chance de capturar os produtos intermediários do precursor do microRNA, nos dizendo os locais de processamento inicial e aquele primeiro nucleotídeo.”

Os resultados mostraram que apenas 147 dos 326 precursores de microRNA postulados interagem com a proteína dicer definitivamente, marcando-os como precursores genuínos de microRNA. Oitenta e um não interagiram de forma alguma, sugerindo que eles deveriam ser reclassificados como um tipo diferente de RNA. Cerca de 100 requerem investigação adicional.

A equipe também usou uma técnica avançada de alto rendimento e um novo método computacional para mapear as estruturas dos precursores de microRNA em suas condições celulares naturais e descobriu que, das 147 moléculas de microRNA genuínas, cerca de 95% de suas estruturas nas células diferiam das previsões do computador.

“Encontramos vários resultados bem diferentes das previsões e da literatura”, disse Li. “Conseguimos combinar resultados bioquímicos com sequenciamento de próxima geração para obter mais informações, e agora nossa compreensão das estruturas é muito mais precisa.”

O futuro

A equipe ainda tem mais precursores de microRNA para validar em Arabidopsis thaliana, mas Zhang disse que eles estão animados para buscar colaborações para investigar o processamento de microRNA em culturas agrícolas para aplicações mais práticas.

“Queremos descobrir mais sobre que tipo de microRNAs estão em outras culturas, como são processados ​​e como podemos fazer microRNAs artificiais neles”, disse ele. “Este estudo fornece recursos que podem ser amplamente utilizados, e agora podemos usá-los para revisitar outras culturas, descobrir o que precisa ser corrigido e ver o que mais podemos fazer com esta ferramenta.”