Cientistas do St. Jude Children’s Research Hospital revelaram que os ribossomos humanos decodificam o RNA mensageiro (mRNA) 10 vezes mais devagar do que os ribossomos bacterianos, mas o fazem com mais precisão. O estudo, publicado hoje na Natureza, usou uma combinação de abordagens de biologia estrutural líderes de campo para entender melhor como os ribossomos funcionam. Os cientistas identificaram onde o processo desacelera em humanos, o que será uma informação útil para o desenvolvimento de novos tratamentos para câncer e infecções.
Os ribossomos são máquinas moleculares dentro das células, responsáveis pela síntese de proteínas por meio da decodificação do mRNA. Ao conduzir estudos mecanísticos sobre ribossomos bacterianos e humanos, os pesquisadores podem entender suas semelhanças e diferenças para desenvolver medicamentos e entender doenças. Muitos antibióticos, os medicamentos que usamos para tratar infecções bacterianas, atuam visando os ribossomos bacterianos. Em humanos, as mudanças na precisão com que os ribossomos decodificam o mRNA foram associadas ao envelhecimento e à doença, representando um ponto potencial de intervenção terapêutica. Isso dá ao trabalho implicações para o tratamento de infecções e câncer.
“As bactérias têm sido muito bem estudadas por muitas décadas, mas o tipo de estudos que fazemos, estudos mecanicistas cuidadosos, têm faltado nos ribossomos humanos”, disse o autor correspondente Scott Blanchard, Ph.D., St. Jude Department of Structural Biology . “Estamos muito interessados nos ribossomos humanos porque são eles que precisam ser direcionados para encontrar novos tratamentos para o câncer e infecções virais como o COVID”.
revolução de resolução
Os ribossomos decodificam o mRNA usando uma molécula chamada RNA de transferência de aminoacil (tRNA) como substrato. O processo de decodificação envolve várias etapas diferentes.
Os pesquisadores implantaram métodos como transferência de energia de ressonância de fluorescência de molécula única (smFRET) e microscopia crioeletrônica (cryo-EM) para examinar os mecanismos de decodificação de ribossomos humanos. A imagem de molécula única fornece aos pesquisadores informações sobre a rapidez com que as coisas ocorrem. Então, neste caso, a rapidez com que os ribossomos humanos passam pelas diferentes etapas durante o processo de decodificação. O Cryo-EM fornece aos pesquisadores informações estruturais. Então, como o ribossomo humano se parece ou em que conformações (formas) ele está em cada etapa. Ao combinar esses dois métodos, os cientistas obtêm informações sobre a rapidez com que esses processos ocorrem em humanos em comparação com as bactérias, bem como sobre as causas estruturais subjacentes para quaisquer diferenças observadas.
“Queríamos saber com que rapidez um ribossomo humano pode ler o código genético, com que rapidez ele encontra o tRNA que é complementar ao mRNA”, disse o co-autor Mikael Holm, Ph.D., Departamento de Biologia Estrutural de St. Jude. “Descobrimos que o processo é cerca de 10 vezes mais lento para os ribossomos humanos do que para as bactérias. Mas essa desaceleração aumenta a precisão, porque os ribossomos humanos são conhecidos por serem mais precisos na tradução do código do que os ribossomos bacterianos”.
Especificamente, os pesquisadores descobriram que, enquanto humanos e bactérias decodificam o mRNA, a via de reação do movimento do aminoacil-tRNA durante o processo de decodificação é diferente nos ribossomos humanos e é significativamente mais lenta. Essas diferenças decorrem de elementos estruturais no ribossomo humano e no fator de alongamento humano, eEF1A, que juntos são responsáveis por incorporar fielmente o tRNA certo para cada códon do mRNA (pedaço da sequência). A natureza distinta e o tempo das mudanças conformacionais dentro do ribossomo e do eEF1A podem explicar como os ribossomos humanos alcançam maior precisão de decodificação.
“Com nossos estudos estruturais de crio-EM, fomos capazes de resolver estruturas de ribossomos humanos para resolução atômica, que revelou recursos sem precedentes, como rRNA e modificações de proteínas, íons e moléculas de solvente presentes no ribossomo humano”, disse o co-primeiro autor Kundhavai Natchiar , Ph.D., St. Jude Departamento de Biologia Estrutural. “Estas características caracterizam finamente a base molecular das interações das moléculas da droga com o ribossomo humano, o que é indispensável para o desenvolvimento e descoberta de drogas baseadas no ribossoma humano.”
Pego em flagrante
Os pesquisadores também identificaram exatamente qual etapa do processo de decodificação desacelerou nos ribossomos humanos. Existem duas etapas no processo de seleção do ribossomo para o tRNA correto: seleção inicial e seleção de revisão. A segunda etapa, seleção de revisão, é onde o ribossomo verifica pela segunda vez se escolheu a molécula certa. Essa é a etapa 10 vezes mais lenta em humanos do que em bactérias.
Pense em uma ginasta, contorcendo-se em diferentes formas no tatame enquanto trabalha em sua rotina. Isso é semelhante a como os ribossomos fazem a transição para várias conformações para alcançar resultados diferentes. A pesquisa mostrou que muitas das ginásticas conformacionais que os ribossomos humanos sofrem não estão presentes nos ribossomos bacterianos e, portanto, provavelmente estão ligadas à desaceleração do processo de seleção de revisão.
Os pesquisadores também descobriram que várias drogas visam o processo de seleção de revisão, não a seleção inicial. Assim, em vez de atingir a etapa semelhante entre humanos e bactérias, essas drogas se concentram na etapa mais diferente e mais lenta.
“Na biologia estrutural, um único instantâneo de uma máquina macromolecular nem sempre é suficiente para explicar como ela funciona”, disse a co-primeira autora Emily Rundlet, Ph.D., Departamento de Biologia Estrutural de St. Jude. “Muitas vezes, o instantâneo necessário para responder à sua pergunta biológica não é a forma mais estável da molécula, mas, em vez disso, é de curta duração e difícil de capturar. Usar smFRET e cryo-EM juntos traz a dimensão do tempo para a biologia estrutural, o que nos permite visualizar importantes etapas intermediárias transitórias da decodificação humana e entender os diferentes mecanismos em um novo nível.”