Mistério molecular resolvido – Cientistas de Harvard descobriram uma maneira até então desconhecida de as células quebrarem proteínas

Este mecanismo decompõe proteínas de curta duração que apoiam a função cerebral e imunológica

Proteínas de vida curta controlam a expressão genética nas células e desempenham funções críticas que vão desde ajudar na comunicação cerebral até aumentar a resposta imunológica do corpo. Essas proteínas se originam no núcleo e são rapidamente degradadas após cumprirem sua finalidade.

Durante décadas, o mecanismo por detrás da degradação destas proteínas essenciais e da sua remoção das células permaneceu um mistério para os investigadores, até agora.

Numa colaboração interdepartamental, investigadores da Harvard Medical School identificaram uma proteína chamada medulinulina que desempenha um papel fundamental na degradação de muitas proteínas nucleares de vida curta. O estudo mostra que a medulina faz isso agarrando diretamente as proteínas e arrastando-as para o sistema de eliminação de resíduos celulares, chamado proteassoma, onde são destruídas.

Os resultados foram publicados recentemente na revista Ciências.

“Essas proteínas especificamente de vida curta são conhecidas há mais de 40 anos, mas ninguém determinou como elas realmente se degradam”, disse o co-autor principal Shen Guo, pesquisador em neurobiologia no HMS.

Como as proteínas decompostas por este processo modulam genes com funções importantes relacionadas com o cérebro, o sistema imunitário e o desenvolvimento, os cientistas poderão eventualmente ser capazes de direcionar o processo como uma forma de controlar os níveis de proteína para alterar estas funções e corrigir quaisquer disfunções.

“O mecanismo que encontramos é muito simples e elegante”, acrescentou o coautor principal Christopher Nardoni, candidato a doutorado em genética na HMS. “É uma descoberta científica fundamental, mas há muitas implicações para o futuro.”

Quebra-cabeça molecular

Está bem estabelecido que as células podem quebrar proteínas ligando-as a uma pequena molécula chamada ubiquitina. A etiqueta informa ao proteassoma que as proteínas não são mais necessárias e as destrói. Grande parte da pesquisa pioneira sobre esse processo foi feita pelo falecido Fred Goldberg, da HMS.

No entanto, às vezes o proteassoma decompõe proteínas sem a ajuda de marcadores de ubiquitina, levando os pesquisadores a suspeitar de outro mecanismo de proteólise independente da ubiquitina.

“Havia evidências dispersas na literatura científica de que o proteassoma poderia de alguma forma degradar diretamente proteínas não marcadas, mas ninguém entendia como isso poderia acontecer”, disse Nardoni.

Um grupo de proteínas que parece ser degradado por um mecanismo alternativo são os fatores de transcrição induzidos por estímulos: proteínas que são rapidamente sintetizadas em resposta a estímulos celulares que viajam até o núcleo da célula para ativar genes, após o que são rapidamente destruídas.

“O que inicialmente me surpreendeu é que essas proteínas são muito instáveis ​​e têm uma meia-vida muito curta – uma vez produzidas, elas fazem seu trabalho e, muito rapidamente depois disso, se degradam”, disse Joe.

Esses fatores de transcrição apoiam uma série de processos biológicos importantes no corpo, mas mesmo depois de décadas de pesquisa, “o mecanismo de sua renovação tem sido em grande parte desconhecido”, disse Michael Greenberg, professor de neurobiologia Nathan March Posey no HMS Blavatnik Institute e em Harvard. Universidade. . Coautor deste artigo com Stephen Eledge, Gregor Mendel Professor de Genética e Medicina no HMS e no Brigham and Women’s Hospital.

De um punhado a centenas

Para investigar este mecanismo, a equipa começou com dois factores de transcrição familiares: Fos, que foi extensivamente estudado no laboratório de Greenberg pelo seu papel na aprendizagem e na memória, e EGR1, que está envolvido na divisão e sobrevivência celular. Usando proteômica de ponta e análises genéticas desenvolvidas no laboratório de Elledge, os pesquisadores se concentraram na medulina como uma proteína que ajuda a quebrar os fatores de transcrição. Experimentos de acompanhamento revelaram que, além de Fos e EGR1, a medulina também pode estar envolvida na degradação de centenas de outros fatores de transcrição no núcleo.

Gu e Nardone lembram-se de terem ficado chocados e céticos em relação às suas descobertas. Para confirmar as suas descobertas, eles decidiram que precisavam de saber exatamente como a medulina atinge e degrada muitas proteínas diferentes.

“Depois que identificamos todas essas proteínas, surgiram muitas questões tentadoras sobre como o mecanismo medulinolênico realmente funciona”, disse Nardoni.

Com a ajuda de um aprendizado de máquina Usando uma ferramenta chamada AlphaFold, que prevê estruturas de proteínas, bem como os resultados de uma série de experimentos de laboratório, a equipe conseguiu elucidar os detalhes do mecanismo. Eles demonstraram que a medulina tem um “domínio de captura” – uma região da proteína que captura outras proteínas e as alimenta diretamente no proteassoma, onde são decompostas. Este domínio de captura consiste em duas regiões separadas e vinculadas Aminoácidos (pense em luvas presas a um barbante) que capturam uma região relativamente não estruturada da proteína, permitindo que a medulina capture muitos tipos diferentes de proteínas.

Dignos de nota são proteínas como o Fos, responsáveis ​​​​por ativar genes que acionam neurônios no cérebro para se conectarem e se reconectarem em resposta a estímulos. Outras proteínas, como o IRF4, ativam genes que apoiam o sistema imunológico, garantindo que as células sejam capazes de formar células B e T funcionais.

“O aspecto mais interessante deste estudo é que agora entendemos um novo mecanismo geral independente da ubiquitilação que degrada proteínas”, disse Elledge.

Potencial de tradução tentador

No curto prazo, os pesquisadores querem se aprofundar no mecanismo que descobriram. Eles planejam realizar estudos estruturais para entender melhor os detalhes de como as proteínas são capturadas e degradadas. Eles também estão fazendo com que camundongos sem linulina entendam o papel da proteína em diferentes células e estágios de desenvolvimento.

Os cientistas dizem que suas descobertas têm um potencial de tradução tentador. Pode fornecer um caminho que os investigadores podem aproveitar para controlar os níveis de factores de transcrição, modulando assim a expressão genética e, por sua vez, processos relacionados no corpo.

“A degradação das proteínas é um processo crítico e a sua desregulação está subjacente a muitos distúrbios e doenças”, disse Greenberg, incluindo algumas condições neuropsiquiátricas, bem como alguns tipos de cancro.

Por exemplo, quando as células contêm muitos ou poucos fatores de transcrição, como Fos, podem surgir problemas de aprendizagem e memória. No mieloma múltiplo, as células cancerígenas tornam-se viciadas na proteína imunológica IRF4, pelo que a sua presença pode alimentar doenças. Os pesquisadores estão particularmente interessados ​​em identificar doenças que possam ser boas candidatas para o desenvolvimento de terapias que funcionem através da via do proteassoma da mandulina.

“Uma área que estamos explorando ativamente é como ajustar a especificidade do mecanismo para que ele possa analisar especificamente proteínas de interesse”, disse Gu.

Referência: “The Medulin Proteasome Pathway Captures Proteins for Ubiquitin-Independent Degradation” por Shen Guo, Christopher Nardoni, Nolan Kamitaki, Uyo Mao, Stephen J. Eledge e Michael E. Greenberg, 25 de agosto de 2023, disponível aqui. Ciências.
doi: 10.1126/science.adh5021

O financiamento foi fornecido por uma bolsa da National Mah Jongg League da Fundação Damon Runyon para Pesquisa do Câncer, uma bolsa de pesquisa de pós-graduação da National Science Foundation e Instituto Nacional de Saúde (T32 HG002295; R01 NS115965; AG11085).