Dois novos estudos financiados pelo governo federal oferecem visões detalhadas das proteínas que reparam o DNA danificado dentro da cromatina compactada, e do conjunto de ferramentas moleculares que elas reúnem no local da quebra, com potenciais implicações para o tratamento do câncer.

Dois novos estudos da Universidade Johns Hopkins estão fornecendo aos cientistas uma visão detalhada e sem precedentes de como as células humanas reparam uma das formas mais perigosas de dano genético: uma quebra que rompe ambas as cadeias da dupla hélice do DNA.

Publicados consecutivamente na Nature Communications , os estudos examinam diferentes estágios de um processo de reparo chamado "junção de extremidades não homólogas" (NHEJ, na sigla em inglês). Em conjunto, as descobertas mostram como as células acessam o DNA danificado que está compactado dentro da cromatina e reúnem um conjunto versátil de ferramentas moleculares para preparar e reconectar suas extremidades quebradas.

A pesquisa financiada pelo governo federal poderá, em última análise, contribuir para melhores tratamentos contra o câncer e técnicas de edição genética mais previsíveis. Sua importância imediata, no entanto, reside em aprimorar a compreensão fundamental dos cientistas sobre um sistema de reparo que protege o genoma humano diariamente.

"O apoio federal a esta pesquisa foi fundamental", disse Yuan He , Professor Distinto Bloomberg de Biofísica Estrutural e Biologia da Cromatina na Universidade Johns Hopkins e autor sênior de ambos os artigos. "Sem o apoio contínuo de bolsas dos Institutos Nacionais de Saúde, não teríamos alcançado um avanço tão importante na compreensão de como funciona o reparo do DNA."

O DNA carrega as instruções biológicas necessárias para o funcionamento das células. Danos em uma das extremidades da molécula de DNA geralmente são controláveis, mas uma quebra de dupla fita rompe completamente sua estrutura em forma de escada torcida. Se a quebra não for reparada — ou for reparada incorretamente — a célula pode morrer ou adquirir mutações e rearranjos que contribuem para doenças como o câncer.

A NHEJ é um dos principais sistemas que as células humanas utilizam para lidar com essa emergência. O processo identifica as duas extremidades quebradas, mantém-nas unidas, prepara-as para a reconexão e sela a ruptura.

"Estes estão entre os primeiros estudos a visualizar o DNA da forma como ele realmente ocorre em uma célula — no DNA enrolado em torno de histonas e em extremidades quebradas que não podem ser facilmente reparadas", disse He, que tem cargos nos departamentos de biofísica e biologia da universidade e é membro do Centro Oncológico Abrangente Sidney Kimmel. "Isso pode nos ajudar a desenvolver a próxima geração de terapias contra o câncer."

Weifeng Lu, estudante de doutorado no laboratório de He na Johns Hopkins, é o primeiro autor do estudo sobre cromatina. Alex Vogt, da Northwestern University, é o primeiro autor do estudo sobre processamento de extremidades e coautor de ambos. O trabalho foi realizado em colaboração com pesquisadores da Universidade de Calgary, do Instituto Nacional de Ciências da Saúde Ambiental e da Universidade do Novo México.

O primeiro estudo aborda uma questão antiga sobre como esse mecanismo de reparo funciona dentro do ambiente congestionado de uma célula.

O DNA normalmente não flutua livremente no núcleo da célula. Ele está enrolado em torno de proteínas chamadas histonas, formando estruturas conhecidas como nucleossomos. Uma maneira de visualizar um nucleossomo é como um fio enrolado em um carretel. Essa compactação permite que uma enorme quantidade de DNA caiba dentro de uma célula microscópica, mas também pode impedir que proteínas de reparo alcancem uma ruptura próxima.

Duas proteínas chamadas Ku70/80 e DNA-PKcs estão entre as primeiras a chegar a uma quebra de dupla fita. A Ku se liga ao DNA quebrado, enquanto a DNA-PKcs ajuda a organizar a resposta de reparo. Ambas as proteínas precisam de um trecho de DNA acessível, mas um nucleossomo próximo pode deixar pouco espaço para que elas atuem.

Experimentos laboratoriais anteriores frequentemente estudavam proteínas em DNA exposto, ou nu, sem nucleossomos. No novo trabalho, os pesquisadores examinaram uma situação mais realista na qual o DNA permanecia enrolado em torno dessas estruturas proteicas.

Os experimentos demonstraram que a DNA-PKcs auxilia o mecanismo de reparo a superar a barreira do nucleossomo. Imagens produzidas por microscopia eletrônica criogênica (crio-ME) sugerem que Ku e a DNA-PKcs avançam progressivamente ao longo do DNA associado ao nucleossomo. Esse movimento permite que o mecanismo de reparo funcione mesmo quando o acesso ao DNA danificado é limitado. Notavelmente, o mecanismo de reparo não removeu o núcleo. As extremidades quebradas puderam ser reconectadas com o nucleossomo ainda no local, indicando que as células podem iniciar o reparo sem primeiro desmontar a estrutura ao redor da quebra.

O segundo estudo explora o que acontece depois que as extremidades quebradas são reunidas.

As quebras de DNA raramente são limpas. Suas extremidades podem ser irregulares, quimicamente danificadas ou separadas pela falta de material genético. Antes que essas extremidades possam ser reconectadas, a célula pode precisar remover uma obstrução, aparar uma seção saliente ou preencher uma lacuna — assim como um artesão precisa preparar duas peças danificadas antes de uni-las.

Utilizando criomicroscopia eletrônica (crio-ME), os pesquisadores determinaram como uma proteína de reparo chamada "polimerase lambda" se liga à estrutura que mantém as extremidades do DNA unidas. A polimerase lambda pode adicionar blocos de construção de DNA que estejam faltando para ajudar a tornar as extremidades compatíveis.

Os pesquisadores também observaram um complexo de reparo contendo tanto a polimerase lambda quanto outra proteína, a PNKP, que prepara as extremidades do DNA quimicamente danificadas para a reconexão. A descoberta indica que a NHEJ pode reunir diversas ferramentas especializadas em torno da mesma quebra, criando o que equivale a uma oficina molecular de reparo multifuncional.

As descobertas podem ter diversas aplicações a longo prazo. A radioterapia e alguns medicamentos quimioterápicos atuam causando danos ao DNA que as células cancerígenas não conseguem sobreviver. Como a NHEJ (junção de extremidades não homólogas) consegue reparar esses danos, o mecanismo de reparo do tumor pode ajudá-lo a resistir ao tratamento. Uma compreensão mais precisa de proteínas como a DNA-PKcs, a polimerase lambda e a PNKP poderia auxiliar pesquisadores no desenvolvimento de medicamentos que tornem determinados tipos de câncer mais sensíveis à radiação ou à quimioterapia.

Os estudos em si não produzem uma nova terapia ou técnica de edição. Em vez disso, graças à técnica de crio-microscopia eletrônica (crio-ME), eles fornecem modelos moleculares detalhados de como a célula alcança, prepara e reconecta o DNA danificado — conhecimento que pode ajudar os pesquisadores a aprender quando fortalecer o processo de reparo e quando, como no tratamento do câncer, impedi-lo.

A pesquisa foi financiada por diversas bolsas dos Institutos Nacionais de Saúde (R01GM135651, R01GM144559, P01CA092584, R35GM158347). Os dados de crio-microscopia eletrônica foram coletados no Centro de Crio-microscopia Eletrônica do Noroeste do Pacífico e no Centro Beckman de Crio-microscopia Eletrônica da Universidade Johns Hopkins.