Revelando como um antigo invasor genético habita nosso DNA

Há milhares de milhões de anos, à medida que as formas de vida primitivas se tornavam mais complexas, um componente genético egoísta tornou-se uma espécie de colonizador do genoma. Usando um mecanismo de copiar e colar, esse pedaço pernicioso de código se replicou e se inseriu repetidas vezes em uma variedade de genomas.

Com o tempo, todos os organismos eucarióticos herdaram o código – incluindo nós. Na verdade, este antigo elemento genético escreveu cerca de um terço do genoma humano – e foi considerado ADN lixo até há relativamente pouco tempo.

Este componente genético é conhecido como LINE-1, e a sua intrusão agressiva no genoma pode causar estragos, levando a mutações causadoras de doenças. Uma proteína chave chamada ORF2p permite o seu sucesso – o que significa que a compreensão da estrutura e da mecânica da ORF2p pode iluminar novos alvos terapêuticos potenciais para uma variedade de doenças.

Agora, em colaboração com mais de uma dúzia de grupos académicos e industriais, os cientistas da Rockefeller renderizaram pela primeira vez a estrutura central da proteína em alta resolução, revelando uma série de novos conhecimentos sobre os principais mecanismos causadores de doenças do LINE-1. Os resultados foram publicados em Natureza.

“O trabalho facilitará o design racional de medicamentos direcionados ao LINE-1 e poderá levar a novas terapias e estratégias para combater o câncer, doenças autoimunes, neurodegeneração e outras doenças do envelhecimento”, diz o autor sênior John LaCava, professor associado de pesquisa na Universidade Rockefeller. .

Companheiros evolutivos

LINE-1 é um retrotransposon, uma espécie de código genético móvel que traduz o RNA de volta em DNA enquanto se replica e se escreve em diferentes locais do genoma de um organismo. Existem diferentes tipos de retrotransposons, incluindo retrovírus endógenos (ERVs), que se assemelham ao HIV e à hepatite B (HBV).

A origem do LINE-1 não é clara, mas tem uma ligação evolutiva com os intrões do grupo II, uma classe de elementos móveis antigos que remonta a cerca de 2,5 mil milhões de anos. Retrotransposons como o LINE-1 têm evoluído com seus organismos hospedeiros há 1 a 2 bilhões de anos.

“É uma batalha contínua entre o LINE-1 tentando se inserir e o hospedeiro que protege seu próprio genoma”, diz o co-autor Trevor van Eeuwen, pós-doutorado no Laboratório de Biologia Celular e Estrutural de Rockefeller.

Milhões de fragmentos genéticos derivados do LINE-1 são encontrados em nossas células. A grande maioria são relíquias evolutivas inativas, evidência de tentativas fracassadas de sequestrar a maquinaria de replicação. Mas cerca de 100 LINE-1 estão operacionais – e geralmente não são úteis. Uma proteína produzida pelo LINE-1, conhecida como ORF1p, é produzida pelas células cancerígenas, como descreveu um estudo recente de LaCava, Michael P. Rout e seus colaboradores.

LaCava e Martin Taylor, do Massachusetts General Hospital e da Harvard Medical School, estudaram colaborativamente o LINE-1 e as suas proteínas durante mais de uma década, mas como o ORF2p se expressa de forma tão baixa e pouco frequente, ele permaneceu pouco compreendido. “O LINE-1 tem sido muito difícil de estudar porque tem características muito estranhas”, diz LaCava.

“Por exemplo, tem um ciclo de replicação incomum e a proteína ORF2p que ninguém foi capaz de capturar. Mas Marty e eu finalmente chegamos a um ponto onde nossa pesquisa estava madura o suficiente para que pudéssemos começar a estudar sua estrutura.”

Taylor fez avanços importantes na purificação do ORF2p completo, bem como uma versão “núcleo” mais curta que facilita a replicação L1; esses avanços facilitaram os avanços que se seguiram.

Valete para toda obra

Usando uma combinação de cristalografia de raios X e crio-EM, a equipe de pesquisa descobriu dois novos domínios dobrados dentro do núcleo do ORF2p que contribuem para a capacidade do LINE-1 de fazer cópias de si mesmo.

ORF2p possui adaptações estruturais adequadas exclusivamente para esses empreendimentos, diz van Eeuwen. É uma espécie de proteína pau para toda obra, capaz de lidar com tudo, desde a replicação até a inserção. Mas embora a maioria dos vírus precise potencialmente de centenas de proteínas de transcriptase reversa para se replicar, o ORF2p faz tudo.

No entanto, quando o LINE-1 é ativado no citoplasma, “ele age como um imitador viral. Ele cria híbridos de RNA:DNA que parecem uma infecção viral quando detectados”, observa van Eeuwen. Este mimetismo viral sugere uma possível solução para o enigma de como o ORF2p ativa o sistema imunológico inato, contribuindo para doenças autoimunes e outras condições.

Sua pesquisa descobriu que as interações com o material genético no citoplasma ativam a via antiviral cGAS/STING. Por sua vez, essa via faz com que as células produzam interferons, estimulando o sistema imunológico e levando à inflamação, de forma análoga ao que acontece durante uma infecção por um vírus.

“Sua principal função parece ser a proliferação de cópias de si mesmo e, à medida que o LINE-1 move sequências, há uma chance de que essas sequências quebrem um gene”, diz ele. “Mas também há uma chance de criarem novos elementos genéticos ou novas funcionalidades que sejam benéficas para o hospedeiro”.

O caminho à frente

No futuro, os investigadores procurarão resolver os dois domínios centrais recentemente descobertos e compreender as suas funções. Entretanto, “a nossa elucidação estrutural da ORF2p estabelece as bases para estudos futuros necessários para dissecar e melhorar a nossa compreensão do mecanismo de inserção do LINE-1, da sua evolução e do seu papel nas doenças”, diz van Eeuwen.

Eles também querem explorar as potenciais aplicações clínicas de suas descobertas. Como existe um parentesco entre retrotransposons e retrovírus, no presente estudo eles testaram tratamentos para os retrovírus HIV e HBV para ver se inibiriam o LINE-1. Eles não o fizeram, sugerindo que o desenho da terapêutica terá que ser adaptado às características únicas do LINE-1.

“O trabalho abre a porta para o desenho racional de medicamentos com melhores inibidores do LINE-1, e esperamos que estes levem a ensaios clínicos em breve”, diz LaCava.

E, como acrescenta Rout, “este estudo também ressalta o potencial de integração de vários tipos de dados – e da experiência de vários laboratórios – para resolver questões biomédicas fundamentais”.