Pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison descreveram a maneira como uma enzima e proteínas interagem para manter as tampas protetoras, chamadas telômeros, no final dos cromossomos, uma nova visão de como uma célula humana preserva a integridade de seu DNA através da divisão celular repetida.
A replicação do DNA é essencial para perpetuar a vida como a conhecemos, mas muitas das complexidades do processo – como uma miríade de biomoléculas chegam onde precisam ir e interagem em uma série de etapas intrincadamente orquestradas – permanecem misteriosas.
“Os mecanismos por trás de como essa enzima, chamada Pol?-primase, funciona têm sido elusivos por décadas”, diz Ci Ji Lim, professor assistente de bioquímica e investigador principal em novas pesquisas sobre replicação de DNA publicadas recentemente na Nature. “Nosso estudo fornece um grande avanço na compreensão da síntese de DNA nas extremidades dos cromossomos e gera novas hipóteses sobre como a Pol?-primase – uma engrenagem central na máquina de replicação do DNA – opera”.
Toda vez que uma célula se divide, os telômeros no final da longa molécula de DNA que compõe um único cromossomo encurtam ligeiramente. Os telômeros protegem os cromossomos como uma agulha protege a ponta de um cadarço. Eventualmente, os telômeros são tão curtos que o código genético vital em um cromossomo é exposto e a célula, incapaz de funcionar normalmente, entra em um estado zumbi. Parte da manutenção de rotina de uma célula inclui a prevenção do encurtamento excessivo, reabastecendo esse DNA usando Pol?-primase.
No local de construção dos telômeros, a Pol?-primase primeiro constrói um primer de ácido nucleico curto (chamado RNA) e depois estende esse primer com DNA (então chamado primer de RNA-DNA). Os cientistas pensaram que a Pol?-primase precisaria alterar sua forma quando muda da síntese de moléculas de RNA para DNA. O laboratório de Lim descobriu que a Pol?-primase faz o primer de RNA-DNA nos telômeros usando um andaime rígido com a ajuda de outra engrenagem na máquina de replicação dos telômeros, uma proteína acessória chamada CST. O CST age como um sinal de parada e partida que interrompe a atividade de outras enzimas e traz a Pol?-primase para o canteiro de obras.
“Antes deste estudo, tínhamos que imaginar como a Pol?-primase funciona para completar a replicação dos telômeros nas extremidades dos cromossomos”, diz Lim. “Agora, temos estruturas de alta resolução da Pol?-primase ligada a um complexo de proteína acessória chamado CST. Descobrimos que depois que a CST se liga à fita de DNA modelo no telômero, ela facilita a ação da Pol?-primase. Ao fazer isso, A CST prepara o terreno para a Pol?-primase sintetizar primeiro RNA e depois DNA usando uma plataforma arquitetônica unificada.”
Os pesquisadores também tiveram um vislumbre de como a Pol?-primase pode iniciar a síntese de DNA em outros lugares ao longo do comprimento de um cromossomo. Outros cientistas também encontraram o complexo CST-pol-?-primase em locais onde o dano ao DNA está sendo reparado e onde a replicação do DNA parou.
“Como a Pol?-primase desempenha um papel central e muito importante na replicação do DNA nos telômeros e em outros lugares ao longo dos cromossomos – é a única enzima que faz primers em modelos de DNA a partir do zero para a replicação do DNA – nossa estrutura CST-Pol?-primase fornece novos insights sobre como A pol?-primase também pode fazer seu trabalho durante a replicação do DNA genômico”, diz Lim. “É uma solução muito elegante que a natureza desenvolveu para realizar esse processo complicado.”
“Nossas descobertas revelam um papel sem precedentes que a CST desempenha na facilitação dessa atividade da Pol?-primase”, explica o primeiro autor Qixiang He, estudante de pós-graduação no programa de pós-graduação em biofísica da UW-Madison. “Será interessante ver se os fatores acessórios envolvidos na replicação do DNA em outras partes dos cromossomos configuram a Pol?-primase da mesma maneira que a CST faz para os telômeros”.
Os pesquisadores construíram o modelo estrutural da CST-Pol?-primase usando uma técnica de imagem avançada chamada análise de partícula única por microscopia crioeletrônica. No crio-EM, amostras congeladas rapidamente são suspensas em uma fina película de gelo e, em seguida, fotografadas com um microscópio eletrônico de transmissão, resultando em modelos 3D de alta resolução de biomoléculas como as enzimas que atuam na replicação do DNA.
A equipe de Lim usou a análise de partículas únicas crio-EM para primeiro determinar a estrutura da CST-Pol?-primase e, em seguida, focar na visualização de partes móveis do complexo com mais detalhes. Eles coletaram dados no UW-Madison Cryo-Electron Microscopy Research Center (CEMRC), alojado no UW-Madison Department of Biochemistry, e no National Cryo-Electron Microscopy Facility, financiado pelo NCI, no Frederick National Laboratory for Cancer Research.
“Começamos com um enigma de nosso ensaio bioquímico, mas uma vez que criamos imagens do co-complexo CST-pol-?-primase e vimos suas estruturas crio-EM, tudo ficou imediatamente claro. Isso foi extremamente satisfatório para todos da equipe. Além que, as estruturas também fornecem ideias que agora podemos projetar experimentos para testar”, diz Xiuhua Lin, gerente do laboratório e coautor do novo estudo.
Entre essas ideias estão a captura de como o CST-pol-?/primase funciona com mais detalhes. Os pesquisadores também querem mapear todo o processo de replicação dos telômeros humanos e estão estudando como a CST-pol-?/primase termina sua atividade quando o DNA nos telômeros é copiado.
“Você não pode realmente estudar como um carro se move olhando para suas partes individuais – você tem que montar as peças e observar como elas funcionam juntas. Mas a maquinaria biomolecular geralmente tem tantas partes móveis que pode ser difícil estudar”, disse Lim. diz. “É aí que entram o poder e a versatilidade da análise de partícula única por microscopia crioeletrônica. Essa abordagem nos permitiu montar um modelo atômico de alta resolução e forneceu insights críticos sobre como ele se move, o que, por sua vez, facilitou nossa compreensão de como o humanos CST-Pol?-primase funciona.”
Publicado em 05/08/2022 11h06
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