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Estudo revelando o segredo por trás de um processo celular fundamental refuta livros didáticos de biologia
A descoberta diz respeito a um processo-chave essencial à vida: a fase de transcrição da expressão gênica, que permite às células viver e fazer seu trabalho.
Por Emily Caldwell - 26/11/2020


Um loop em gancho de um pré-mRNA. Em destaque estão as nucleobases (verde) e a estrutura ribose-fosfato (azul). Observe que esta é uma única fita de RNA que se dobra sobre si mesma. Crédito: Vossman / Wikipedia

Uma nova pesquisa identificou e descreveu um processo celular que, apesar do que dizem os livros, permaneceu indescritível para os cientistas até agora - precisamente como a cópia de material genético que, uma vez iniciada, é devidamente desligada.

A descoberta diz respeito a um processo-chave essencial à vida: a fase de transcrição da expressão gênica, que permite às células viver e fazer seu trabalho.

Durante a transcrição, uma enzima chamada RNA polimerase envolve a dupla hélice do DNA, usando uma fita para combinar os nucleotídeos para fazer uma cópia do material genético - resultando em uma fita recém-sintetizada de RNA que se quebra quando a transcrição está completa. Esse RNA permite a produção de proteínas, que são essenciais para toda a vida e realizam a maior parte do trabalho dentro das células.

Assim como acontece com qualquer mensagem coerente, o RNA precisa começar e parar no lugar certo para fazer sentido. Uma proteína bacteriana chamada Rho foi descoberta há mais de 50 anos devido à sua capacidade de interromper ou encerrar a transcrição. Em todos os livros, Rho é usado como um terminador de modelo que, usando sua força motora muito forte, se liga ao RNA e o puxa para fora da RNA polimerase. Mas um olhar mais atento por esses cientistas mostrou que Rho não seria capaz de encontrar os RNAs que precisa para liberar usando o mecanismo de livro didático.

"Começamos a estudar Rho e percebemos que não pode funcionar da maneira que as pessoas nos dizem que funciona", disse Irina Artsimovitch, co-autora principal do estudo e professora de microbiologia da Universidade Estadual de Ohio.

A pesquisa, publicada online pela revista Science hoje, 26 de novembro de 2020, determinou que, em vez de se ligar a um pedaço específico de RNA perto do final da transcrição e ajudá-lo a se desenrolar do DNA, Rho na verdade "pega carona" na RNA polimerase para o duração da transcrição. Rho coopera com outras proteínas para eventualmente persuadir a enzima a passar por uma série de mudanças estruturais que terminam em um estado inativo, permitindo a liberação do RNA.

A equipe usou microscópios sofisticados para revelar como Rho atua em um complexo de transcrição completo composto de RNA polimerase e duas proteínas acessórias que viajam com ele durante a transcrição.

"Esta é a primeira estrutura de um complexo de terminação em qualquer sistema, e era para ser impossível de obter porque se desfaz muito rapidamente", disse Artsimovitch.

"Ele responde a uma questão fundamental - a transcrição é fundamental para a vida, mas se não fosse controlada, nada funcionaria. A RNA polimerase por si só tem que ser completamente neutra. Ela tem que ser capaz de fazer qualquer RNA, incluindo aqueles que estão danificados ou pode prejudicar a célula. Ao viajar com a RNA polimerase, Rho pode dizer se vale a pena fazer o RNA sintetizado - e se não, Rho o libera. "
 
Artsimovitch fez muitas descobertas importantes sobre como a RNA polimerase completa a transcrição com tanto sucesso. Ela não se propôs a contrariar anos de compreensão sobre o papel de Rho na rescisão até que um estudante de graduação em seu laboratório identificou mutações surpreendentes em Rho enquanto trabalhava em um projeto de genética.

"Parece ser comum", disse ela. "Em geral, as células usam mecanismos de funcionamento semelhantes de um ancestral comum. Todas aprenderam os mesmos truques, desde que esses truques fossem úteis."


Rho é conhecido por silenciar a expressão de genes de virulência em bactérias, essencialmente mantendo-os dormentes até que sejam necessários para causar infecção. Mas esses genes não têm nenhuma seqüência de RNA que Rho é conhecido por ligar preferencialmente. Por causa disso, disse Artsimovitch, nunca fez sentido que Rho procure apenas sequências específicas de RNA, mesmo sem saber se elas ainda estão ligadas à RNA polimerase.

Na verdade, a compreensão científica do mecanismo Rho foi estabelecida usando experimentos bioquímicos simplificados que frequentemente omitiam a RNA polimerase - em essência, definindo como um processo termina sem fatorar o próprio processo.

Neste trabalho, os pesquisadores usaram microscopia crioeletrônica para capturar imagens da RNA polimerase operando em um molde de DNA em Escherichia coli, seu sistema modelo. Essa visualização de alta resolução, combinada com computação de ponta, tornou possível a modelagem precisa da terminação da transcrição .

"A RNA polimerase se move, combinando centenas de milhares de nucleotídeos em bactérias. O complexo é extremamente estável porque tem que ser - se o RNA é liberado, ele é perdido", disse Artsimovitch. "Ainda assim, Rho é capaz de desmontar o complexo em questão de minutos, se não segundos. Você pode olhar para ele, mas não pode obter um complexo estável para analisar."

Usar um método inteligente para capturar complexos antes de eles se desfazerem permitiu aos cientistas visualizar sete complexos que representam etapas sequenciais na via de terminação, começando com o envolvimento de Rho com a RNA polimerase e terminando com uma RNA polimerase completamente inativa . A equipe criou modelos com base no que viram e, em seguida, certificou-se de que esses modelos estavam corretos usando métodos genéticos e bioquímicos.

Embora o estudo tenha sido conduzido em bactérias, Artsimovitch disse que esse processo de terminação provavelmente ocorrerá em outras formas de vida.

"Parece ser comum", disse ela. "Em geral, as células usam mecanismos de funcionamento semelhantes de um ancestral comum. Todas aprenderam os mesmos truques, desde que esses truques fossem úteis."

 

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