Uma célula humana típica é metabolicamente ativa, rugindo com reações químicas que convertem nutrientes em energia e produtos úteis que sustentam a vida. Essas reações também criam espécies reativas de oxigênio, subprodutos perigosos como o peróxido de hidrogênio, que danificam os blocos de construção do DNA da mesma forma que o oxigênio e a água corroem o metal e formam ferrugem. Semelhante à forma como os edifícios desmoronam com o efeito cumulativo da ferrugem, as espécies reativas de oxigênio ameaçam a integridade de um genoma.

Acredita-se que as células equilibram delicadamente suas necessidades de energia e evitam danificar o DNA, contendo atividade metabólica fora do núcleo e dentro do citoplasma e mitocôndrias. Enzimas antioxidantes são implantadas para eliminar espécies reativas de oxigênio em sua fonte antes que cheguem ao DNA, uma estratégia defensiva que protege os cerca de 3 bilhões de nucleotídeos de sofrer mutações potencialmente catastróficas. Se o dano ao DNA ocorrer de qualquer maneira, as células param momentaneamente e realizam reparos, sintetizando novos blocos de construção e preenchendo as lacunas.

Apesar do papel central do metabolismo celular na manutenção da integridade do genoma, não houve nenhum estudo sistemático e imparcial sobre como as perturbações metabólicas afetam o dano ao DNA e o processo de reparo. Isso é particularmente importante para doenças como o câncer, caracterizadas por sua capacidade de sequestrar processos metabólicos para crescimento irrestrito.

Uma equipe de pesquisa liderada por Sara Sdelci no Centro de Regulação Genômica (CRG) em Barcelona e Joanna Loizou no Centro de Pesquisa CeMM para Medicina Molecular da Academia Austríaca de Ciências em Viena e na Universidade Médica de Viena abordou esse desafio realizando vários experimentos para identificar quais enzimas e processos metabólicos são essenciais para a resposta de danos ao DNA de uma célula. As descobertas foram publicadas hoje na revista Molecular Systems Biology .

Os pesquisadores induziram experimentalmente danos ao DNA em linhas de células humanas usando um medicamento quimioterápico comum conhecido como etoposido. O etoposido funciona quebrando as cadeias de DNA e bloqueando uma enzima que ajuda a reparar os danos. Surpreendentemente, a indução de dano ao DNA resultou na geração e acúmulo de espécies reativas de oxigênio dentro do núcleo. Os pesquisadores observaram que as enzimas respiratórias celulares, uma importante fonte de espécies reativas de oxigênio, se deslocaram das mitocôndrias para o núcleo em resposta a danos no DNA.

As descobertas representam uma mudança de paradigma na biologia celular porque sugere que o núcleo é metabolicamente ativo. "Onde há fumaça há fogo e onde há espécies reativas de oxigênio há enzimas metabólicas em ação. Historicamente, pensamos no núcleo como uma organela metabolicamente inerte que importa todas as suas necessidades do citoplasma, mas nosso estudo demonstra que outro tipo do metabolismo existe nas células e é encontrado no núcleo", diz o Dr. Sdelci, autor correspondente do estudo e líder do grupo no Centro de Regulação Genômica.

Os pesquisadores também usaram o CRISPR-Cas9 para identificar todos os genes metabólicos importantes para a sobrevivência celular nesse cenário. Esses experimentos revelaram que as células ordenam a enzima PRDX1, uma enzima antioxidante também normalmente encontrada nas mitocôndrias, para viajar até o núcleo e eliminar as espécies reativas de oxigênio presentes para evitar mais danos. PRDX1 também foi encontrado para reparar o dano, regulando a disponibilidade celular de aspartato, uma matéria-prima que é crítica para a síntese de nucleotídeos, os blocos de construção do DNA.

"PRDX1 é como um limpador de piscina robótico. Sabe-se que as células o usam para manter seu interior 'limpo' e evitar o acúmulo de espécies reativas de oxigênio, mas nunca antes no nível nuclear. Isso é uma evidência de que, em um estado de crise, o O núcleo responde apropriando-se do maquinário mitocondrial e estabelece uma política emergencial de rápida industrialização", diz o Dr. Sdelci.

As descobertas podem orientar futuras linhas de pesquisa sobre o câncer . Algumas drogas anticancerígenas , como o etoposídeo usado neste estudo, matam as células tumorais danificando seu DNA e inibindo o processo de reparo. Se danos suficientes se acumulam, a célula cancerosa inicia um processo em que se autodestrui.

Durante seus experimentos, os pesquisadores descobriram que eliminar genes metabólicos críticos para a respiração celular – o processo que gera energia a partir de oxigênio e nutrientes – fazia com que células saudáveis ??normais se tornassem resistentes ao etoposido. A descoberta é importante porque muitas células cancerígenas são glicolíticas, o que significa que mesmo na presença de oxigênio elas geram energia sem fazer respiração celular. Isso significa que o etoposido e outras quimioterapias com mecanismo semelhante provavelmente terão um efeito limitado no tratamento de tumores glicolíticos.

Os autores do estudo pedem a exploração de novas estratégias, como o tratamento duplo que combina etoposido com medicamentos que também aumentam a geração de espécies reativas de oxigênio para superar a resistência aos medicamentos e matar as células cancerígenas mais rapidamente. Eles também levantaram a hipótese de que a combinação de etoposido com inibidores dos processos de síntese de nucleotídeos poderia potencializar o efeito da droga, impedindo o reparo de danos ao DNA e garantindo que as células cancerígenas se autodestruam corretamente.

O Dr. Loizou, autor correspondente e líder do grupo no Centro de Medicina Molecular e na Universidade Médica de Viena, destaca o valor de adotar abordagens baseadas em dados para descobrir novos processos biológicos. "Usando tecnologias imparciais, como triagem CRISPR-Cas9 e metabolômica, aprendemos como os dois processos celulares fundamentais de reparo e metabolismo do DNA estão interligados. Nossas descobertas lançam luz sobre como o direcionamento dessas duas vias no câncer pode melhorar os resultados terapêuticos para pacientes ."