Nossas células produzem uma variedade de proteínas, cada uma com uma função específica que, em muitos casos, significa que elas precisam estar em uma parte específica da célula onde essa função é necessária. Uma das maneiras pelas quais as células garantem que certas proteínas cheguem ao local certo na hora certa é por meio da tradução localizada, um processo que garante que as proteínas sejam produzidas — ou traduzidas — perto de onde serão necessárias. Jonathan Weissman, professor de biologia do MIT e membro do Instituto Whitehead de Pesquisa Biomédica, e colegas estudaram a tradução localizada para entender como ela afeta as funções celulares e permite que as células respondam rapidamente a mudanças nas condições.

Agora, Weissman, que também é pesquisador do Instituto Médico Howard Hughes e pós-doutorado em seu laboratório Jingchuan Luo, expandiu nosso conhecimento sobre a tradução localizada nas mitocôndrias, estruturas que geram energia para a célula. Em um artigo de acesso aberto publicado hoje na Cell , eles compartilham uma nova ferramenta, LOCL-TL, para estudar a tradução localizada em detalhes, e descrevem as descobertas que ela possibilitou sobre duas classes de proteínas que são traduzidas localmente nas mitocôndrias.

A importância da tradução localizada nas mitocôndrias está relacionada à sua origem incomum. As mitocôndrias já foram bactérias que viveram dentro das células de nossos ancestrais. Com o tempo, as bactérias perderam sua autonomia e se tornaram parte das células maiores, o que incluiu a migração da maioria de seus genes para o genoma da célula maior no núcleo. As células desenvolveram processos para garantir que as proteínas necessárias às mitocôndrias, codificadas em genes no genoma da célula maior, sejam transportadas para as mitocôndrias. As mitocôndrias retêm alguns genes em seu próprio genoma, portanto, a produção de proteínas do genoma mitocondrial e do genoma da célula maior deve ser coordenada para evitar a produção incompatível de partes mitocondriais. A tradução localizada pode ajudar as células a gerenciar a interação entre a produção de proteínas mitocondriais e nucleares — entre outros propósitos.

Para que uma proteína seja produzida, o código genético armazenado no DNA é lido no RNA, que então é lido ou traduzido por um ribossomo, uma máquina celular que constrói uma proteína de acordo com o código do RNA. O laboratório de Weissman desenvolveu anteriormente um método para estudar a tradução localizada, marcando ribossomos próximos a uma estrutura de interesse e, em seguida, capturando os ribossomos marcados em ação e observando as proteínas que eles estão produzindo. Essa abordagem, chamada de perfil de ribossomo específico por proximidade, permite que os pesquisadores vejam quais proteínas estão sendo produzidas em cada local da célula. O desafio que Luo enfrentou foi como ajustar esse método para capturar apenas os ribossomos em ação próximos às mitocôndrias.

Os ribossomos funcionam rapidamente, de modo que um ribossomo marcado durante a produção de uma proteína na mitocôndria pode passar a produzir outras proteínas em outras partes da célula em questão de minutos. A única maneira de os pesquisadores garantirem que os ribossomos capturados ainda estejam trabalhando em proteínas produzidas perto da mitocôndria é se o experimento for realizado muito rapidamente.

Weissman e colegas já haviam resolvido esse problema de sensibilidade temporal em células de levedura com uma ferramenta de marcação de ribossomos chamada BirA, que é ativada pela presença da molécula biotina. A BirA é fundida à estrutura celular de interesse e marca os ribossomos que consegue tocar — mas apenas após a ativação. Os pesquisadores mantêm a célula sem biotina até que esteja pronta para capturar os ribossomos, para limitar o tempo em que a marcação ocorre. No entanto, essa abordagem não funciona com mitocôndrias em células de mamíferos, pois elas precisam de biotina para funcionar normalmente, portanto, ela não pode ser esgotada.

Luo e Weissman adaptaram a ferramenta existente para responder à luz azul em vez da biotina. A nova ferramenta, LOV-BirA, é fundida à membrana externa da mitocôndria. As células são mantidas no escuro até que os pesquisadores estejam prontos. Em seguida, eles expõem as células à luz azul, ativando a LOV-BirA para marcar os ribossomos. Eles aguardam alguns minutos e, em seguida, extraem rapidamente os ribossomos. Essa abordagem se mostrou muito precisa na captura apenas dos ribossomos que atuam nas mitocôndrias.

Os pesquisadores então usaram um método originalmente desenvolvido pelo laboratório de Weissman para extrair os trechos de RNA de dentro dos ribossomos. Isso lhes permite ver exatamente em que estágio do processo de produção de uma proteína o ribossomo está quando capturado, o que pode revelar se a proteína inteira é produzida na mitocôndria ou se é parcialmente produzida em outro lugar e só é completada nas mitocôndrias.

Usando essas abordagens, os pesquisadores descobriram que cerca de 20% dos genes necessários às mitocôndrias, localizados no genoma celular principal, são traduzidos localmente nas mitocôndrias. Essas proteínas podem ser divididas em dois grupos distintos, com diferentes histórias evolutivas e mecanismos de tradução localizada.

Um grupo consiste em proteínas relativamente longas, cada uma contendo mais de 400 aminoácidos ou blocos de construção proteicos. Essas proteínas tendem a ser de origem bacteriana — presentes no ancestral das mitocôndrias — e são traduzidas localmente em células de mamíferos e leveduras, sugerindo que sua tradução localizada foi mantida ao longo de uma longa história evolutiva.

Como muitas proteínas mitocondriais codificadas no núcleo, essas proteínas contêm uma sequência de direcionamento mitocondrial (MTS), um código postal que indica à célula para onde levá-las. Os pesquisadores descobriram que a maioria das proteínas que contêm uma MTS também contém uma sequência inibitória próxima que impede o transporte até que sejam produzidas. Esse grupo de proteínas traduzidas localmente não possui a sequência inibitória, por isso são levadas às mitocôndrias durante sua produção.

A produção dessas proteínas mais longas começa em qualquer lugar da célula e, após aproximadamente os primeiros 250 aminoácidos serem produzidos, elas são transportadas para as mitocôndrias. Enquanto o restante da proteína é produzido, ela é simultaneamente alimentada em um canal que a leva para dentro da mitocôndria. Isso bloqueia o canal por um longo período, limitando a importação de outras proteínas, de modo que as células só podem realizar essa produção e importação simultâneas de proteínas selecionadas. Os pesquisadores levantam a hipótese de que essas proteínas de origem bacteriana são priorizadas como um mecanismo antigo para garantir que sejam produzidas e colocadas com precisão nas mitocôndrias.

O segundo grupo traduzido localmente consiste em proteínas curtas, cada uma com menos de 200 aminoácidos. Essas proteínas evoluíram mais recentemente e, consequentemente, os pesquisadores descobriram que o mecanismo para sua tradução localizada não é compartilhado pela levedura. Seu recrutamento mitocondrial ocorre no nível do RNA. Duas sequências dentro de seções regulatórias de cada molécula de RNA que não codificam a proteína final, em vez disso, codificam para o maquinário da célula recrutar os RNAs para as mitocôndrias.

Os pesquisadores buscaram moléculas que pudessem estar envolvidas nesse recrutamento e identificaram a proteína de ligação ao RNA AKAP1, presente nas mitocôndrias. Quando eliminaram a AKAP1, as proteínas curtas foram traduzidas indiscriminadamente pela célula. Isso proporcionou uma oportunidade de aprender mais sobre os efeitos da tradução localizada, observando o que acontece na sua ausência. Quando as proteínas curtas não foram traduzidas localmente, isso levou à perda de várias proteínas mitocondriais, incluindo aquelas envolvidas na fosforilação oxidativa, a principal via de geração de energia das nossas células.

Em pesquisas futuras, Weissman e Luo se aprofundarão em como a tradução localizada afeta a função e a disfunção mitocondrial em doenças. Os pesquisadores também pretendem usar o LOCL-TL para estudar a tradução localizada em outros processos celulares, inclusive em relação ao desenvolvimento embrionário, à plasticidade neural e à doença.

“Essa abordagem deve ser amplamente aplicável a diferentes estruturas e tipos celulares, proporcionando muitas oportunidades para entender como a tradução localizada contribui para os processos biológicos”, afirma Weissman. “Estamos particularmente interessados no que podemos aprender sobre os papéis que ela pode desempenhar em doenças como neurodegeneração, doenças cardiovasculares e cânceres.”