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Uma equipe de cientistas liderada pelo Dr. Kei-ichi TAKATA, do Center for Genomic Integrity (CGI) do Institute for Basic Science (IBS), descobriu um novo tipo de mecanismo de reparo de DNA que as células cancerígenas usam para se recuperar da próxima geração radioterapia do câncer.
A terapia com radiação ionizante (IR) é freqüentemente usada no tratamento do câncer e acredita-se que destrua as células cancerígenas induzindo quebras no DNA. O mais novo tipo de terapia de radiação aproveita a radiação produzida por um acelerador de partículas, que consiste em partículas pesadas carregadas, como íons de carbono. O acelerador de partículas acelera os íons de carbono a cerca de 70% da velocidade da luz, que colide e destrói o DNA das células cancerígenas.
Esses íons têm uma alta transferência linear de energia (LET) e liberam a maior parte de sua energia em um curto intervalo, chamado de pico de Bragg. A radioterapia de câncer de próxima geração funciona concentrando o pico de Bragg no tumor, que tem o benefício adicional de minimizar os danos aos tecidos normais circundantes em comparação com a radiação LET baixa comumente usada, como gama ou raios-x.
Atualmente, apenas um punhado de instalações médicas no mundo possui a capacidade de fornecer essa radioterapia de última geração, embora se espere que mais sejam implantadas no futuro.
As lesões de DNA geradas pelo bombardeio de íons pesados (radiação LET alta) são mais “complexas” do que aquelas induzidas pela radioterapia tradicional (radiação LET baixa). O primeiro carrega danos adicionais ao DNA, como sítio apurínico/apirimidínico (AP) e timina glicol (Tg) próximo aos sítios de quebra de fita dupla (DSB), que é muito mais difícil de reparar do que danos comuns ao DNA. Como resultado, a terapia avançada é mais citotóxica por unidade de dose do que a radiação LET baixa.
Isso torna a radioterapia de última geração uma arma potente contra as células cancerígenas. No entanto, não foi totalmente investigado como essas lesões induzidas por LET alto são processadas em células de mamíferos, pois o dano ao DNA do bombardeio de íons pesados é um processo que raramente ocorre na natureza (por exemplo, maior chance no espaço sideral). Descobrir o complexo mecanismo de reparo do DSB é um interesse de pesquisa atraente, pois bloquear o mecanismo de reparo das células cancerígenas pode permitir que a nova terapia de radiação se torne ainda mais eficaz.
Para conduzir a pesquisa, a equipe do IBS visitou o hospital QST no Japão para usar o síncrotron chamado HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba), que tem a capacidade de produzir alta radiação LET. Um síncrotron semelhante foi instalado na Universidade de Yonsei e outro está programado para ser instalado no Hospital da Universidade Nacional de Seul em Kijang em 2027. A equipe de pesquisa do Dr. Takata pretende ajudar a estabelecer um programa de pesquisa básica usando esses síncrotrons na Coréia do Sul para melhorar o íon pesado terapêutica em pacientes com câncer.
A equipe de pesquisa do Dr. Takata descobriu que a DNA polimerase θ (POLQ) é um fator importante ao reparar DSBs complexos, como os causados pelo bombardeio de íons pesados. POLQ é uma polimerase de DNA única que é capaz de realizar junção de extremidade mediada por microhomologia, bem como síntese de translesão (TLS) através de um sítio abásico (AP) e timina glicol (Tg). Verificou-se que esta atividade de TLS é o fator biologicamente significativo que permite o reparo complexo de DSB.
A Sra. SUNG Yubin, uma das primeiras autoras conjuntas, explica: “Fornecemos evidências de que a atividade TLS de POLQ desempenha um papel crítico na reparação de hiLET-DSBs. Descobrimos que POLQ recoze e estende eficientemente substratos que imitam DSBs complexos”.
Os pesquisadores também descobriram que impedir a expressão de POLQ em células cancerígenas aumentou muito sua vulnerabilidade ao novo tratamento de radiação.
“Demonstramos que a disrupção genética de POLQ resulta em um aumento de quebras de cromátides e aumento da sensibilidade celular após o tratamento com alta radiação LET”, explica o Sr. YI Geunil, outro primeiro autor conjunto.
A equipe de pesquisa usou técnicas bioquímicas e transferência de energia de ressonância de fluorescência (FRET) para descobrir que a proteína POLQ pode efetivamente reparar moléculas de DNA sintéticas que imitam DSB complexo. Isso significa que o POLQ pode ser um possível novo alvo de drogas para aumentar a vulnerabilidade das células cancerígenas contra danos complexos de radiação.
O sistema de ensaio FRET de molécula única para monitorar o recozimento mediado por POLQ e a extensão do DNA foi desenvolvido em colaboração com o Prof. KIM Hajin e o Sr. KIM Chanwoo da UNIST. A Sra. RA Jae Sun do IBS-CGI analisou quebras de cromátides induzidas por alta radiação LET. O Prof. FUJIMORI Akira e o Sr. HIRAKAWA Hirokazu da QST, e o Prof. KATO Takamitsu da Colorado State University ajudaram a conduzir os experimentos com o HIMAC.
O Prof. Takata observa: “Estamos orgulhosos de anunciar a publicação de nosso artigo, que só foi possível graças ao grande trabalho em equipe de todos os envolvidos. Nossas descobertas fornecem novos insights sobre os mecanismos de como hiLET-DSB é reparado em células de mamíferos e sugerem ainda que a inibição do POLQ pode aumentar a eficácia da radioterapia de íons pesados.”
Esta obra foi publicada em Pesquisa de Ácidos Nucleicos em 20 de fevereiro de 2023.
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