Saúde

Como COVID-19 causa estragos nos pulmões humanos
As descobertas podem acelerar a busca por medicamentos para bloquear os efeitos mais graves da doença.
Por Laboratório Nacional de Brookhaven - 08/06/2021


Um close da proteína do envelope do vírus COVID-19 (magenta) e sua interação com aminoácidos específicos que formam uma bolsa hidrofóbica em PALS1 (azul, verde e laranja). Crédito: Laboratório Nacional de Brookhaven

Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) publicaram o primeiro modelo detalhado de nível atômico da proteína do "envelope" SARS-CoV-2 ligada a uma proteína humana essencial para manter o revestimento dos pulmões. O modelo que mostra como as duas proteínas interagem, recém-publicado na revista Nature Communications , ajuda a explicar como o vírus pode causar danos extensos nos pulmões e escapar dos pulmões para infectar outros órgãos em pacientes COVID-19 especialmente vulneráveis. As descobertas podem acelerar a busca por medicamentos para bloquear os efeitos mais graves da doença.

"Ao obter detalhes de nível atômico das interações de proteínas , podemos explicar por que o dano ocorre e procurar inibidores que possam bloquear especificamente essas interações", disse o autor principal do estudo, Qun Liu, biólogo estrutural do Laboratório Brookhaven. "Se pudermos encontrar inibidores, o vírus não causará tantos danos. Isso pode dar às pessoas com saúde comprometida uma chance muito melhor de seus sistemas imunológicos combaterem o vírus com sucesso."

Os cientistas descobriram os detalhes e desenvolveram o modelo molecular usando um dos novos microscópios crioeletrônicos no Laboratório de Brookhaven Lab para Estrutura BioMolecular (LBMS), uma nova instalação de pesquisa construída com financiamento do Estado de Nova York adjacente à Fonte de Luz Síncrotron Nacional II de Brookhaven (NSLS -II).

"O LBMS foi inaugurado no verão passado antes do previsto por causa de sua importância na batalha contra o COVID-19", disse Sean McSweeney, diretor do LBMS e coautor do jornal. "LBMS e NSLS-II oferecem técnicas de imagem de proteínas complementares e ambos estão desempenhando papéis importantes na decifração dos detalhes das proteínas envolvidas no COVID-19. Este é o primeiro artigo publicado com base nos resultados da nova instalação."

Liguo Wang, diretor de operações científicas da LBMS e outro coautor do artigo, explicou que "a microscopia crioeletrônica (crio-EM) é particularmente útil para estudar proteínas de membrana e complexos de proteína dinâmica, que podem ser difíceis de cristalizar para cristalografia de proteínas técnica comum para estudar estruturas de proteínas. Com essa técnica, criamos um mapa 3-D a partir do qual poderíamos ver como os componentes individuais da proteína se encaixam. "

"Sem o cryo-EM, não poderíamos ter obtido uma estrutura para capturar as interações dinâmicas entre essas proteínas", disse Liu.

Disparo pulmonar desencadeante

A proteína do envelope SARS-CoV-2 (E), que é encontrada na membrana externa do vírus ao lado da agora infame proteína spike do coronavírus, ajuda a montar novas partículas virais dentro das células infectadas. Estudos publicados no início da pandemia COVID-19 mostraram que ele também desempenha um papel crucial no sequestro de proteínas humanas para facilitar a liberação e transmissão do vírus. Os cientistas levantam a hipótese de que isso ocorre ao se ligar a proteínas de junção celular humana, afastando-as de sua tarefa usual de manter as junções entre as células pulmonares hermeticamente fechadas.
 
"Essa interação pode ser boa para o vírus e muito ruim para humanos - especialmente pacientes idosos com COVID-19 e aqueles com condições médicas pré-existentes", disse Liu.

Quando as junções das células pulmonares são interrompidas, as células do sistema imunológico tentam consertar o dano, liberando pequenas proteínas chamadas citocinas. Esta resposta imunológica pode piorar as coisas ao desencadear uma inflamação maciça, causando a chamada "tempestade de citocinas" e a subsequente síndrome de dificuldade respiratória aguda.

Além disso, como o dano enfraquece as conexões célula-célula, pode ser mais fácil para os vírus escaparem dos pulmões e viajarem pela corrente sanguínea para infectar outros órgãos, incluindo fígado, rins e vasos sanguíneos.

"Nesse cenário, a maioria dos danos ocorreria em pacientes com mais vírus e mais proteínas E sendo produzidas", disse Liu. E isso pode se tornar um ciclo vicioso: mais vírus produzindo mais proteínas E e mais proteínas de junção celular sendo retiradas, causando mais danos, mais transmissão e mais vírus novamente. Além disso, qualquer dano existente, como cicatriz nas células pulmonares, provavelmente tornaria mais difícil para os pacientes com COVID se recuperarem do dano.

"É por isso que queríamos estudar essa interação - para entender os detalhes em nível atômico de como o E interage com uma dessas proteínas humanas para aprender como interromper as interações e reduzir ou bloquear esses efeitos graves", disse Liu.

De manchas a bolhas para mapear para modelo

Os cientistas obtiveram detalhes de nível atômico da interação entre E e uma proteína de junção de célula pulmonar humana chamada PALS1, misturando as duas proteínas, congelando a amostra rapidamente e, em seguida, estudando a amostra congelada com o crio-EM. Os microscópios eletrônicos usam elétrons de alta energia para interagir com a amostra da mesma forma que os microscópios de luz comuns usam feixes de luz. Mas os elétrons permitem que os cientistas vejam as coisas em uma escala muito menor devido ao seu comprimento de onda extremamente curto (100.000 vezes menor que o da luz visível).

As primeiras imagens não pareciam muito mais do que manchas. Mas as técnicas de processamento de imagem permitiram que a equipe selecionasse partículas que eram complexos reais das duas proteínas.

"Usamos a média bidimensional e começamos a ver algumas características estruturais que são compartilhadas entre essas partículas. Nossas imagens mostraram o complexo de diferentes orientações, mas em resolução bastante baixa", disse Liu. "Em seguida, usamos ferramentas computacionais e infraestrutura de computação na Iniciativa de Ciência Computacional de Brookhaven para realizar reconstruções tridimensionais. Isso nos dá um modelo 3-D - um mapa experimental da estrutura."

Com uma resolução geral de 3,65 Angstroms (o tamanho de apenas alguns átomos), o mapa tinha informações suficientes sobre as características únicas dos aminoácidos individuais que compõem as duas proteínas para que os cientistas ajustassem as estruturas conhecidas desses aminoácidos em o mapa.

"Podemos ver como a cadeia de aminoácidos que compõe a proteína PALS1 se dobra para formar três componentes estruturais, ou domínios, e como a cadeia muito menor de aminoácidos que compõe a proteína E se encaixa em um bolso hidrofóbico entre dois desses domínios ", disse Liu.

O modelo fornece os detalhes estruturais e uma compreensão das forças intermoleculares que permitem que as proteínas E nas profundezas de uma célula infectada arrancem PALS1 de seu lugar no limite externo da célula.

"Agora podemos explicar como as interações puxam PALS1 da junção pulmão-célula humana e contribuem para o dano", disse Liu.

Implicações para drogas e evolução

"Esta estrutura fornece a base para nossos colegas de ciência computacional executarem estudos de docking e simulações de dinâmica molecular para procurar drogas ou moléculas semelhantes a drogas que possam bloquear a interação", disse John Shanklin, chefe do Departamento de Biologia do Laboratório Brookhaven e co-autor do papel. "E se eles identificarem pistas promissoras, temos os recursos analíticos para examinar rapidamente esses medicamentos candidatos para identificar aqueles que podem ser essenciais para prevenir consequências graves do COVID-19."

Compreender a dinâmica dessa interação de proteínas também ajudará os cientistas a rastrear como vírus como o SARS-CoV-2 evoluem.

"Quando a proteína do vírus puxa PALS1 para fora da junção celular, isso poderia ajudar o vírus a se espalhar mais facilmente. Isso forneceria uma vantagem seletiva para o vírus. Quaisquer características que aumentem a sobrevivência, disseminação ou liberação do vírus provavelmente serão retido ", disse Liu.

Quanto mais tempo o vírus continua a circular, maiores são as chances de surgirem novas vantagens evolutivas.

“Esta é mais uma razão pela qual é tão essencial para nós identificarmos e implementarmos terapêuticas promissoras”, disse Liu. “Além de prevenir as infecções mais graves, os medicamentos que tratam efetivamente o COVID-19 nos manterão à frente dessas mutações”.

 

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