Seguindo uma única proteína dentro da cavidade de uma chaperona GroEL pela primeira vez, pesquisadores da AMOLF liderados pelo professor Sander Tans descobriram como o dobramento de proteínas pode ser acelerado. As cadeias de aminoácidos são puxadas para dentro da cavidade aberta do acompanhante, onde colapsam sobre si mesmas e se dobram. Os resultados têm implicações para a nossa compreensão do controle de proteínas celulares e doenças de dobramento. A pesquisa foi publicada esta semana na Science Advances.
“Mecanismos de aceleração de dobramento nunca foram mostrados antes para qualquer sistema de proteína. Esta é sem dúvida a pesquisa de proteína mais bonita que já fizemos em nosso laboratório. Um mecanismo altamente surpreendente, e todas as observações e medidas de controle combinam perfeitamente”, disse Tans.
Como uma cavidade dobra uma proteína?
O dobramento adequado é crucial para todas as proteínas. Suas tarefas essenciais nas células dependem de sua forma tridimensional. No entanto, formar a forma correta está longe de ser óbvio. Após a síntese de uma longa cadeia de aminoácidos, a cadeia deve se dobrar. Nesse processo, todos os resíduos de aminoácidos devem encontrar os vizinhos certos para criar a forma geral correta. Esse processo pode facilmente dar errado, com diferentes cadeias grudadas umas nas outras antes de serem dobradas e, portanto, formando agregados de proteínas prejudiciais.
Uma classe de proteínas auxiliares chamadas chaperonas auxiliam no dobramento de proteínas, mas uma questão-chave permanece mal compreendida: as chaperonas apenas impedem a agregação ou também aceleram o próprio processo de dobramento e, em caso afirmativo, como?
Para estudar essa questão, Tans e seu membro da equipe, Mohsin Naqvi, se concentraram no acompanhante GroEL, juntamente com seus colaboradores da Texas A&M University. O acompanhante GroEL possui uma cavidade que pode ser coberta e fechada por seu acompanhante parceiro GroES. Essa forma notável tem fascinado os biólogos há muito tempo e levou a sugestões de que as cadeias de aminoácidos são dobradas por compressão dentro dessa cavidade fechada. Outro mecanismo proposto envolveu o desdobramento de proteínas mal dobradas. Mas que tipo de mecanismo pode realmente acelerar o dobramento permanece controverso.
Técnica de molécula única
Os pesquisadores da AMOLF demonstraram agora um mecanismo que acelera o enovelamento de proteínas. Tans explica: “Usando uma técnica de molécula única, fomos capazes pela primeira vez de seguir cadeias de proteínas individuais à medida que entram na cavidade GroEL. O que vimos foi muito impressionante; a cadeia desdobrada estava sendo puxada com força para a câmara GroEL, onde ele desmoronou em cima de si mesmo. Em seguida, nós o vimos quase instantaneamente se encaixar na estrutura adequada, mesmo aquelas proteínas que normalmente se dobram muito lentamente.”
Para esses experimentos, Tans e seus colegas usaram pinças ópticas para prender as duas extremidades de uma cadeia de aminoácidos a duas contas de tamanho mícron, que podem ser movidas por feixes de laser. Desta forma, eles podem manipular e medir a distância entre as extremidades da proteína.
Quando eles adicionaram o acompanhante GroEL à solução, eles observaram que as duas extremidades se aproximavam. Primeiro, gradualmente, a cadeia de proteína começou a entrar em colapso dentro da cavidade GroEL. Então, rapidamente, quase todos os aminoácidos estavam se dobrando em sua posição correta.
Explicação intuitiva
“É maravilhoso ver isso realmente acontecendo”, disse Tans. “Esse mecanismo também fornece uma explicação intuitiva para a aceleração de dobramento, porque os aminoácidos devem primeiro se aproximar para se dobrar. É bem conhecido que as cadeias de aminoácidos podem colapsar por si mesmas. Mostramos pela primeira vez que esse colapso é fortalecido e regulado na célula por acompanhantes.”
Tans continua: “Nossas descobertas mostram que a estrutura interna, a energia e a dinâmica dos estados colapsados podem ser modificadas por outra proteína, a chaperona, e, portanto, podem ser submetidas a vias de regulação”.
Experimentos de controle perfeito
Além da observação principal das extremidades da proteína sendo unidas pelo GroEL, os pesquisadores relatam um estudo exaustivo que inclui diversas condições, mutantes, substratos de proteínas e tipos de ensaio.
Em um experimento de controle, os pesquisadores removeram as chamadas caudas C-terminais do GroEL, pequenas extensões dentro da cavidade do GroEL. Após o truncamento dessas caudas, a probabilidade de dobramento da proteína diminuiu, mostrando que o colapso e dobramento ocorrem dentro da cavidade GroEL.
Em outro experimento de controle, os pesquisadores se concentraram no GroES, a ‘tampa’ da cavidade do GroEL. Eles descobriram que o GroES não era necessário para acelerar a transição de dobramento mais lenta, embora fosse fundamental criar proteínas totalmente formadas e ejetá-las da cavidade do GroEL. Tans explica: “Isso mostra que o mecanismo descoberto é diferente do confinamento estérico. Se fosse confinamento estérico, o enovelamento de proteínas não seria acelerado sem a tampa”.
Por fim, os pesquisadores anexaram um rótulo fluorescente ao GroEL. Usando um feixe de laser de varredura para criar uma imagem, GroEL apareceu exatamente entre as duas esferas às quais a proteína está ligada, após o que ocorreu o dobramento, mostrando diretamente que a proteína de dobramento estava de fato ligada ao GroEL.
Observação impressionante
Tans reflete que regular o colapso de proteínas por meio desse mecanismo recém-descoberto é provavelmente uma estratégia de acompanhamento mais geral. “Conjecturamos que nosso mecanismo de modulação de colapso pode ser explorado em todo o mecanismo de controle de qualidade da proteína, inclusive pelo homólogo humano TRiC. Mas também pode desempenhar um papel no controle da separação de fases da proteína, onde o colapso hidrofóbico também é importante”.
A noção de que o colapso de proteínas e as velocidades de dobramento podem ser reguladas pode lançar uma nova luz sobre doenças em que o dobramento e a agregação de proteínas desempenham um papel importante. Por exemplo, oferece novos caminhos para estudar a regulação do complexo oncogênico c-Myc/Max desordenado, as proteínas FUS separadas de fase, que desempenham um papel na ELA e na proteína tau agregadora associada a doenças cerebrais degenerativas.
Publicado em 10/03/2022 07h06
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