A ideia da canãlula como cidade éuma introdução comum a  biologia, conjurando representações das organelas da canãlula como usinas, fa¡bricas, estradas, bibliotecas, armazanãns e muito mais. Como uma cidade, essas estruturas exigem uma grande quantidade de recursos para construir e operar, e quando os recursos são escassos, os componentes internos devem ser reciclados para fornecer blocos de construção essenciais, particularmente aminoa¡cidos, para sustentar funções vitais.

Mas como as células decidem o que reciclar quando estãomorrendo de fome? Uma hipa³tese predominante sugere que as células famintas preferem reciclar ribossomos - fa¡bricas de produção de protea­nas celulares ricas em aminoa¡cidos e nucleota­deos importantes - atravanãs da autofagia, um processo que degrada as protea­nas a granel.

No entanto, novas pesquisas de cientistas da Harvard Medical School sugerem o contra¡rio. Em um estudo publicado na Nature em julho, eles pesquisaram sistematicamente todo o cena¡rio proteico de células normais e privadas de nutrientes para identificar quais protea­nas e organelas são degradadas pela autofagia.

As análises revelaram que, diferentemente das expectativas, os ribossomos não são preferencialmente reciclados por autofagia, mas sim um pequeno número de outras organelas, particularmente partes do reta­culo endoplasma¡tico, são degradadas.

Os resultados lana§am luz sobre como as células respondem a  privação de nutrientes e aos processos de autofagia e degradação de protea­nas, que são alvos cada vez mais populares para o desenvolvimento de medicamentos em ca¢nceres e outras doena§as, disseram os autores.

"Quando as células morrem de fome, elas não degradam aleatoriamente os ribossomos em massa atravanãs da autofagia. Em vez disso, parecem ter mecanismos para controlar o que reciclam", disse Wade Harper, autora saªnior do estudo, professora de Patologia Molecular e cadeira Bert e Natalie Vallee. de biologia celular no Instituto Blavatnik no HMS.

"Nossas descobertas agora nos permitem repensar suposições anteriores e entender melhor como as células lidam com nutrientes limitados, uma questãofundamental em biologia", disse Harper.

A rotatividade de protea­nas éuma ocorraªncia constante e universal dentro de cada canãlula. Para reciclar protea­nas desnecessa¡rias ou dobradas, remover as organelas danificadas e realizar outras tarefas internas de limpeza, as células utilizam duas ferramentas principais, a autofagia e o sistema ubiquitina-proteassoma.

A autofagia, derivada das palavras gregas que significam "auto-alimentação", permite que as células degradem protea­nas a granel, bem como estruturas celulares maiores, envolvendo-as em estruturas semelhantes a bolhas e transportando-as para a organela de eliminação de resíduos da canãlula, chamada lisossomo.

Por outro lado, a via do proteassoma permite que as células quebrem protea­nas individuais, marcando-as com um marcador conhecido como ubiquitina. As protea­nas modificadas com ubiquitina são então reconhecidas pelo proteassoma e degradadas.

 

Estudos anteriores em leveduras sugeriram que as células famintas por nutrientes usam a autofagia para reciclar especificamente ribossomos, que são abundantes e um reservata³rio dos principais aminoa¡cidos e nucleota­deos. No entanto, as células tem muitos outros mecanismos para regular os na­veis de ribossomo , e como o fazem quando os nutrientes estãobaixos não foi totalmente compreendido.

Usando uma combinação de protea´mica quantitativa e ferramentas genanãticas, Harper e colegas investigaram a composição e a rotatividade de protea­nas em células privadas de nutrientes essenciais. Para investigar o papel da autofagia, eles também se concentraram nas células com sistemas de autofagia inibidos geneticamente ou quimicamente.

Uma das primeiras análises realizadas revelou que, nas células famintas, os na­veis totais de protea­nas ribossa´micas diminuem apenas ligeiramente em relação a outros na­veis de protea­nas. Essa redução parecia ser independente da autofagia. As células que não tinham capacidade para autofagia não apresentavam defeitos a³bvios quando os nutrientes eram privados.

"Essa foi uma descoberta muito surpreendente, contra¡ria a s hipa³teses existentes, e realmente nos levou a considerar que faltava algo na maneira como pensamos sobre a autofagia e seu papel na degradação do ribossomo", disse Harper. "Este resultado simples esconde uma enorme quantidade de biologia que tentamos descobrir".

Procurando uma explicação para essa discrepa¢ncia, a equipe, liderada pelos co-primeiros autores do estudo, Heeseon An e Alban Ordureau, bolsistas de pesquisa em biologia celular no HMS, analisou sistematicamente a produção de novos ribossomos e o destino dos existentes em células famintas.

Eles o fizeram atravanãs de uma variedade de técnicas complementares, incluindo o Ribo-Halo, que lhes permitiu rotular diferentes componentes ribossa´micos com etiquetas fluorescentes. Eles poderiam aplicar essas tags em diferentes momentos e medir quantos novos ribossomos estavam sendo sintetizados nonívelde uma única canãlula, bem como quantos antigos ribossomos permaneceram após um determinado período de tempo.

Quando as células foram privadas de nutrientes, os principais fatores que levaram a reduzir os na­veis gerais de ribossomo foram a redução na nova sa­ntese de ribossomos e a rotatividade por vias não dependentes de autofagia, mostraram os experimentos. O volume celular e a taxa de divisão celular também diminua­ram, o que permitiu que as células mantivessem uma densidade celular de ribossomos.

Em seguida, a equipe examinou os padraµes de degradação de mais de 8.300 protea­nas em toda a canãlula durante a privação de nutrientes. Eles confirmaram que o padrãode renovação do ribossomo parecia ser independente da autofagia e, em vez disso, protea­nas correspondentes que são conhecidas por serem degradadas pelo sistema ubiquitina-proteassoma.

"Com nossa caixa de ferramentas quantitativas de protea´mica, podemos analisar simultaneamente de maneira imparcial a forma como milhares de protea­nas são produzidas e a rotatividade na canãlula sob diferentes condições, com ou sem autofagia", disse Ordureau. "Isso nos permitiu obter uma imagem global que não se baseava em inferaªncias extraa­das de análises de um número limitado de protea­nas".

As análises mostraram que um pequeno número de organelas e protea­nas foram degradadas pela autofagia em quantidades maiores do que os ribossomos, particularmente o reta­culo endoplasma¡tico, que o laboratório Harper mostrou anteriormente que éremodelado seletivamente pela autofagia durante o estresse nutricional.

Esses dados em todo o proteoma podem revelar outras organelas e protea­nas que são degradadas seletivamente em resposta ao estresse de nutrientes, disseram os autores, e a equipe estãobuscando análises adicionais.

Juntos, as descobertas lana§am luz sobre como as células famintas respondem ao estresse dos nutrientes e, em particular, esclarecem suposições anteriores sobre a renovação do ribossomo. Criticamente, disseram os autores, os resultados demonstram que a rotatividade de ribossomos dependente de proteassoma provavelmente contribui em uma extensão muito maior do que a autofagia durante o estresse nutricional.

Este éum passo importante para um entendimento melhor e imparcial da autofagia, um processo amplamente estudado e alvo de numerosos esforços de descoberta de medicamentos.

"O controle da autofagia estãosendo explorado em uma ampla gama de contextos, como matar células tumorais, privando-as de nutrientes essenciais ou permitindo que os neura´nios removam agregados de protea­nas nocivos ", afirmou An. "Mas nossa compreensão da autofagia éincompleta e muitos aspectos ainda não estãoclaros".

Apenas recentemente, os cientistas descobriram que a autofagia induzida pela fome pode ser seletiva, acrescentou ela, e perguntas como quais organelas são direcionadas e por que, se a autofagia afeta apenas organelas danificadas ou aleata³rias, e muitas outras permanecem praticamente sem resposta.

"Estamos usando o contexto da fome para entender melhor como as células usam a autofagia e em que circunsta¢ncias, para entender melhor esse importante processo", disse An.