A modelagem mostra como as mudanças genéticas que não levam a mudanças na sequência da proteína ainda podem alterar a função da proteína.
A nova modelagem mostra como mutações sinônimas – aquelas que alteram a sequência de DNA de um gene, mas não a sequência da proteína codificada – ainda podem afetar a produção e a função da proteína.
Uma equipe de pesquisadores liderada por químicos da Penn State modelou como mudanças genéticas que alteram a velocidade da síntese de proteínas, mas não a sequência de aminoácidos que compõem a proteína, podem levar a um desdobramento incorreto que altera o nível de atividade da proteína e, em seguida, corroborou seus modelos experimentalmente .
Os resultados demonstram a importância da cinética – a taxa de síntese de proteínas – além da sequência para determinar a estrutura e a função da proteína e podem ter implicações em campos como a biofarmacêutica para ajustar a atividade das proteínas sintetizadas.
As proteínas são compostas de longas cadeias de aminoácidos que então se dobram em estruturas funcionais tridimensionais. Cada aminoácido é codificado por um trio de letras no alfabeto de DNA de A, T, C e G chamado códon, mas há redundância construída no sistema de forma que mais de um códon pode corresponder ao mesmo aminoácido.
Portanto, uma mutação que altera a sequência de DNA de um gene não alterará necessariamente a sequência da proteína codificada se a mutação resultar em um “códon sinônimo”. Para produzir uma proteína, o DNA no núcleo de uma célula é primeiro transcrito em um RNA mensageiro (mRNA). O mRNA é então transportado para fora do núcleo, onde é traduzido em uma proteína nascente por uma organela celular chamada ribossomo. Após a tradução, a proteína é dobrada em sua forma funcional final.
“Costumávamos usar ‘sinônimo’ e ‘silencioso’ de forma intercambiável para descrever mutações que não alteram a sequência de uma proteína porque se pensava que não alterariam a função da proteína”, disse Ed O’Brien, professor de química e membro do Institute for Computational and Data Sciences da Penn State, e um dos líderes da equipe de pesquisa. “Mas já sabemos há algum tempo que nem todas as mutações sinônimas são silenciosas. Há mais de duas décadas, foi demonstrado que mutações sinônimas poderiam reduzir a atividade das proteínas, mas ainda não se sabia o que estava acontecendo no nível molecular para causar essa mudança”.
A equipe de pesquisa usou uma abordagem de modelagem multiescala, usando teoria e computação para simular o que está acontecendo no nível molecular durante a síntese de proteínas, para prever mudanças na estrutura da proteína que poderiam resultar de mutações sinônimas e, portanto, alterar a atividade da proteína. Um artigo descrevendo a pesquisa será publicado hoje (5 de dezembro) na revista Nature Chemistry.
“Por uma variedade de razões, alguns códons são traduzidos em velocidades diferentes pelo ribossomo”, disse Yang Jiang, professor assistente de pesquisa de química na Penn State e primeiro autor do artigo. “Para três enzimas diferentes – proteínas especializadas que catalisam reações bioquímicas – simulamos uma versão do mRNA composta de códons de tradução rápida e uma versão composta de códons de tradução lenta e, em seguida, modelamos a produção da proteína nascente, como ela é dobrada pós-traducionalmente , e sua atividade”.
As previsões da equipe para mudanças na atividade da proteína combinaram com os resultados experimentais que haviam sido medidos anteriormente para uma das enzimas. Os experimentos foram então realizados para as outras duas enzimas que também correspondiam às mudanças na atividade previstas por sua modelagem. Eles então examinaram as estruturas de proteínas previstas e as vias de dobramento de seus modelos para tentar identificar mudanças no nível molecular que poderiam ter levado às mudanças na atividade.
“Em nossos modelos, encontramos uma nova classe de dobramento incorreto de proteínas que chamamos de ‘emaranhamento de laço não covalente'”, disse Jiang. “Essencialmente, uma porção da proteína forma um loop fechado, e uma extremidade da proteína passa incorretamente pelo loop e fica presa por longos períodos de tempo”.
Os pesquisadores sugerem duas possíveis razões pelas quais essa forma de dobramento incorreto pode reduzir a atividade da proteína. Primeiro, o dobramento incorreto ocorre próximo ao sítio ativo das enzimas, o que pode interromper sua atividade. Em segundo lugar, embora as células tenham mecanismos chamados chaperones que podem redobrar ou remover proteínas mal dobradas, essas estruturas particulares mal dobradas podem ser sutis o suficiente para não serem reconhecidas pelo sistema chaperone e podem persistir na célula porque as mudanças observadas exigiriam uma grande porção de proteína. desdobrar para corrigi-los.
“Então, a questão é ‘Como isso está acontecendo? ‘ e podemos usar nossos modelos para seguir o caminho de dobramento da proteína para resolver isso”, disse O’Brien. “Vemos pontos de inflexão durante o dobramento, onde a proteína pode percorrer um caminho que leva a uma proteína dobrada corretamente ou pode seguir um caminho que leva ao emaranhamento do laço. Chamamos isso de ‘particionamento cinético’. A velocidade com que a proteína está sendo traduzida – a cinética do processo – parece influenciar o caminho que a proteína provavelmente seguirá.
Esses novos insights sobre como a cinética da síntese de proteínas pode influenciar a estrutura e a função das proteínas podem ter repercussões em campos que vão da bioquímica à biotecnologia e à medicina.
“O paradigma predominante no campo do enovelamento de proteínas é que a sequência determina a estrutura”, disse O’Brien. “Nossos resultados fornecem uma explicação e ilustração de como a cinética também pode controlar a estrutura e função da proteína. Isso tem implicações para qualquer campo que envolva a síntese de proteínas. O dobramento incorreto de proteínas também contribui para algumas doenças humanas, então nosso trabalho indica que pode existir uma classe inteiramente nova de alvos para o desenvolvimento de futuros medicamentos”.
Publicado em 09/12/2022 07h40
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