As células dependem de minúsculas moléculas chamadas microRNAs para regular quais genes estão ativos e quando. As células precisam controlar cuidadosamente a vida útil dos microRNAs para evitar uma interrupção generalizada da regulação gênica.

Um novo estudo liderado por pesquisadores do Instituto Whitehead de Pesquisa Biomédica do MIT e do Instituto Max Planck de Bioquímica da Alemanha revela como as células eliminam seletivamente certos microRNAs por meio de um sistema de reconhecimento molecular inesperadamente complexo. O trabalho, de acesso aberto e publicado em 18 de março na revista  Nature , mostra que o processo requer dois sinais de RNA distintos, de forma semelhante a como muitos sistemas digitais exigem duas formas de verificação de identidade antes de conceder acesso.

As descobertas explicam como as células usam esse sistema de "autenticação de dois fatores" para garantir que apenas os microRNAs pretendidos sejam destruídos, deixando o restante da maquinaria de regulação gênica em funcionamento.

Os microRNAs são pequenas cadeias de RNA que ajudam a controlar a expressão gênica. Atuando em conjunto com uma proteína chamada Argonaute, eles se ligam a RNAs mensageiros específicos — as moléculas que transportam as instruções genéticas do DNA para a maquinaria de produção de proteínas da célula — e desencadeiam sua destruição. Dessa forma, os microRNAs podem reduzir a produção de proteínas específicas.

Embora os cientistas reconhecessem que os microRNAs podiam ser destruídos por meio de uma via conhecida como degradação de microRNA direcionada ao alvo, ou TDMD, os detalhes de como as células reconheciam quais microRNAs eliminar permaneciam obscuros.

“Sabíamos que existia uma via que poderia direcionar os microRNAs para a degradação, mas o mecanismo bioquímico por trás disso não era compreendido”, diz o professor David Bartel, do MIT, membro do Instituto Whitehead e coautor sênior do estudo.

Trabalhos anteriores do laboratório de Bartel e de outros já haviam identificado um componente-chave nessa via: a ligase de ubiquitina E3 ZSWIM8. As ligases de ubiquitina E3 estão envolvidas no sistema de reciclagem da célula e ligam uma pequena molécula marcadora, chamada ubiquitina, a outras proteínas, sinalizando-as para destruição.

Os pesquisadores demonstraram inicialmente que a ligase E3 ZSWIM8 se liga e marca especificamente a proteína Argonaute, que contém microRNAs e auxilia na regulação gênica. O desafio seguinte foi compreender como esse mecanismo reconhecia apenas os complexos Argonaute que carregavam microRNAs específicos que deveriam ser degradados.

A resposta acabou sendo surpreendentemente sofisticada.

Utilizando uma combinação de bioquímica e microscopia crioeletrônica — uma técnica de imagem que revela estruturas moleculares com resolução quase atômica — os pesquisadores descobriram que o sistema de degradação depende de um processo de reconhecimento de RNA duplo. Primeiro, a proteína Argonaute deve transportar um microRNA específico. Segundo, outra molécula de RNA, chamada de “RNA de ativação”, deve se ligar a esse microRNA de uma maneira específica.

O mecanismo de degradação só é ativado quando ambos os sinais estão presentes.

Essa dupla exigência garante uma especificidade requintada. Cada célula contém mais de cem mil complexos Argonaute-microRNA que regulam muitos genes, e destruí-los indiscriminadamente interromperia processos biológicos essenciais.

“A grande maioria das moléculas de Argonaute na célula desempenha funções úteis na regulação da expressão gênica”, afirma Bartel, professor de biologia no MIT e também pesquisador do Instituto Médico Howard Hughes. “O objetivo é degradar apenas aquelas que carregam um microRNA específico e estão ligadas ao RNA ativador correto. Sem essa especificidade, a célula perderia seus microRNAs e a regulação essencial que eles proporcionam.”

As imagens estruturais revelaram interações moleculares complexas. A ligase ZSWIM8 detecta múltiplas alterações estruturais que ocorrem quando os dois RNAs se ligam dentro da proteína Argonaute.

“Quando vimos a estrutura, tudo fez sentido”, diz Elena Slobodyanyuk, aluna de pós-graduação no laboratório de Bartel e coautora principal do estudo. “Era possível ver como o pareamento do RNA desencadeador com o microRNA remodela o complexo Argonaute de uma forma que a ligase consegue reconhecer.”

Além de explicar como a TDMD funciona, as descobertas podem impactar a forma como os cientistas pensam sobre a regulação das moléculas de RNA de maneira mais ampla.

“Muitas ligases E3 reconhecem seus alvos por meio de sinais mais simples”, diz Jakob Farnung, co-primeiro autor e pesquisador do Departamento de Máquinas Moleculares e Sinalização do Instituto Max Planck de Bioquímica. “Foi como abrir um baú de tesouros, onde cada detalhe revelava algo novo e fascinante.”

Os microRNAs normalmente persistem nas células por períodos de tempo muito mais longos do que a maioria dos RNAs mensageiros, mas alguns se degradam muito mais rapidamente, e a via TDMD parece ser responsável por muitos desses microRNAs de vida excepcionalmente curta.

Os pesquisadores estão agora investigando se outros RNAs podem desencadear vias de degradação semelhantes e se outros microRNAs são regulados por meio de variações do mecanismo demonstrado neste estudo.

“Isso abre uma nova perspectiva sobre como as moléculas de RNA podem controlar a degradação de proteínas”, afirma Brenda Schulman, coautora sênior do estudo e diretora do Departamento de Máquinas Moleculares e Sinalização do Instituto Max Planck de Bioquímica. “Nesse caso, o reconhecimento foi muito mais complexo do que o esperado. Provavelmente, ainda há muito a descobrir.”

Desvendar os detalhes desse intrincado sistema regulatório exigiu colaboração interdisciplinar, combinando conhecimentos em bioquímica de RNA, biologia estrutural e enzimologia da ubiquitina para solucionar esse antigo enigma molecular.

“Este foi um projeto que exigiu a expertise de dois laboratórios que atuam na vanguarda de suas áreas”, afirma Schulman, que também é ex-aluno do Instituto Whitehead. “Foi um trabalho de equipe incrível.”