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Humanizando levedura ORC lança luz sobre terapia de câncer e desenvolvimento humano
Todas as criaturas vivas, de simples levedura unicelular até o complexo ser humano multicelular, se propagam através de divisões celulares.
Por Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong - 26/01/2021


Pixabay

Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKSUST) e da Universidade de Hong Kong (HKU) demonstraram recentemente que o determinante de seletividade do Complexo de Reconhecimento de Origem (ORC) para ligação ao DNA está em uma hélice de inserção de 19 aminoácidos no Orc4 subunidade, que está presente na levedura, mas ausente em humanos. A remoção deste motivo de Orc4 transforma a ORC de levedura, que seleciona origens com base na ligação específica de base em locais definidos, em uma cuja seletividade é ditada pela paisagem da cromatina (perfil de nucleossomo genômico), uma característica compartilhada pela ORC humana.

Uma compreensão mais aprofundada das formas de DNA preferidas e requisitos de posicionamento de nucleossomos fornecerá novos insights para a plasticidade da ORC humana na seleção de locais de iniciação de replicação durante o desenvolvimento programado e transformação da doença, e também ajudará a identificar alvos potenciais para o rastreamento de drogas anticâncer e projeto de terapia.

Todas as criaturas vivas, de simples levedura unicelular até o complexo ser humano multicelular, se propagam através de divisões celulares. Cada divisão requer a replicação exata do DNA do genoma, que é o projeto da identidade de cada organismo. A replicação excessiva pode levar a cânceres e a replicação insuficiente pode causar defeitos de desenvolvimento, como a síndrome de Meier-Gorlin. A replicação do DNA é iniciada nas origens de replicação por ORC e ​​outros complexos de proteínas montados nesses locais.

Curiosamente, ORC é altamente conservado na estrutura da proteína e função da desde a levedura ao humano, mas tem como alvo sítios de DNA que não apresentam características comuns óbvias nestes dois sistemas. O que causa essa diferença? Esta questão intrigou os cientistas por décadas.

"Nossos estudos estabelecem uma base sólida para identificar pares de interações, que são críticas para o reconhecimento de origem e carregamento de helicase, com potencial como alvos para o rastreamento e design de drogas anticâncer",

 Prof. Zhai.

"A estrutura informa a função", disse o Prof. Bik Tye, pesquisador principal e membro sênior do Institute for Advanced Study, HKUST. "Em 2018, resolvemos uma estrutura de alta resolução da ORC de levedura usando microscopia crioeletrônica. Quando comparamos as estruturas entre a levedura e a humana, encontramos uma diferença importante entre elas, que está em uma subunidade da ORC - Orc4."

"A levedura Orc4 tem um motivo adicional de 19 aminoácidos que faz contatos específicos com o DNA de origem e não está presente no ser humano", disse o Prof. Tye. "Percebemos imediatamente que este pequeno motivo de Orc4 pode ser um fator crítico que causa os diferentes comportamentos de ORC na ligação de DNA entre leveduras e humanos. Em seguida, excluímos esse motivo nas células de levedura para testar se ele poderia converter o ORC de levedura em um que se comporta com propriedades semelhantes às humanas. Na verdade, a ORC projetada na levedura se comporta mais como uma ORC humana ou, como a chamamos, uma ORC humanizada. "

A replicação do DNA é um dos processos mais fundamentais nas células vivas. É catalisado por um conjunto semelhante de máquinas de replicação da levedura ao ser humano. Em células de levedura, a replicação do DNA começa a partir de um conjunto de locais, denominados origens de replicação. Esses locais compartilham uma sequência de DNA específica, que pode ser reconhecida por um complexo de proteínas de seis subunidades conhecido como complexo de reconhecimento de origem (ORC), Orc1-6. ORC liga-se ao DNA de origem, servindo então como uma plataforma para recrutar helicase Mcm2-7 para o DNA. A helicase Mcm2-7 é a máquina responsável por separar o DNA de fita dupla para fornecer modelos para a replicação do DNA.
 
"As atividades de cada origem são rigidamente regulamentadas para garantir a integridade do genoma", disse o Prof. Zhai Yuanliang, colaborador do estudo e Professor Assistente da Escola de Ciências Biológicas da Faculdade de Ciências da HKU. "A regulação incorreta da iniciação da replicação pode causar replicação insuficiente ou excessiva do DNA cromossômico, o que induzirá quebras de fita de DNA, rearranjos cromossômicos brutos e instabilidade do genoma, uma característica de quase todos os cânceres humanos."

A inibição do início da replicação é considerada uma estratégia anticâncer eficaz para a morte seletiva de células cancerosas por apoptose, enquanto as células humanas normais param no estado G1 (crescimento) ou se retiram do ciclo celular para o estado G0 (inativas).

"Nossos estudos estabelecem uma base sólida para identificar pares de interações, que são críticas para o reconhecimento de origem e carregamento de helicase, com potencial como alvos para o rastreamento e design de drogas anticâncer", observou o Prof. Zhai.

"Este estudo demonstra o poder das abordagens multidisciplinares para responder a questões fundamentais nas ciências da vida." comentou o Prof. Danny Leung, Professor Assistente da Divisão de Ciências da Vida, HKUST, e Diretor do Centro de Pesquisa Epigenômica do HKUST. A equipe do Prof. Leung foi responsável pelas análises epigenômica e bioinformática deste estudo. O Centro coordena os esforços do Projeto Epigenômica de Hong Kong e facilita pesquisadores regionais na realização de estudos epigenômicos.

"Tudo começou com o modelo atômico do ORC de levedura ligado ao DNA de origem e a descoberta de que um único motivo em uma das subunidades é responsável pelo reconhecimento específico de base do DNA pelo ORC. Conduzimos ensaios de genoma e experimentos bioquímicos para definem as características de ligação, que levaram ao modelo de que a remoção desse motivo é a base para o comportamento da ORC humana, culminando em um insight para a evolução das ORC conforme os eucariotos adotam estruturas genômicas e epigenômicas mais complexas. Esse insight também contém informações críticas sobre a transformação da doença, que frequentemente está associada à plasticidade da replicação do DNA ", observou o Prof. Leung.

 

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