Por mais de meio século, estudos sobre a rã africana com garras (Xenopus laevis) ajudaram os cientistas a entender melhor os fundamentos biológicos da vida, do desenvolvimento embrionário e neurobiologia à genética e doenças. As reivindicações do sapo à fama incluem a descoberta ganhadora do Prêmio Nobel de que o destino da célula adulta pode ser reprogramado, e já serviu como o único teste de gravidez confiável do mundo.

Agora, novas tecnologias estão permitindo que os cientistas aprendam ainda mais sobre os processos fundamentais que impulsionam a biologia desses organismos-modelo caseiros.

Relatórios no Proceedings of the National Academy of Sciences , uma equipe liderada pelo biólogo de sistemas Marc Kirschner da Harvard Medical School descreve uma nova abordagem para identificar e medir mudanças em milhares de proteínas à medida que os ovos de Xenopus são fertilizados.

Sua pesquisa revela aspectos anteriormente opacos dos mecanismos moleculares envolvidos na fertilização, incluindo detalhes de como a fertilização desencadeia a destruição de um pequeno número de proteínas de baixa abundância para liberar os "freios" no ciclo celular de um ovo, e como o óvulo libera rapidamente grandes quantidades de proteínas para ajudar a prevenir a fertilização por vários espermatozoides.

Os resultados permitem análises abrangentes da dinâmica da proteína em uma célula dentro de uma janela estreita de tempo, os pesquisadores disseram, que pode informar estudos de comportamentos moleculares em uma ampla gama de sistemas biológicos e ajudar a lançar luz sobre as mudanças celulares que impulsionam as doenças.

"Nós desenvolvemos um método que nos fornece uma capacidade criticamente importante para quantificar e medir os níveis absolutos de proteínas e modificações de proteínas em uma dinâmica, Sistema complexo, "disse Kirschner, o professor de Biologia de Sistemas da John Franklin Enders University e presidente do Departamento de Biologia de Sistemas da Harvard Medical School.

“O método deve ser amplamente utilizado em muitos estudos biológicos e biomédicos, "Kirschner acrescentou.

Os ovos de Xenopus têm sido usados ​​há décadas para investigar os eventos moleculares que ocorrem durante a fertilização, lançando luz sobre o ciclo celular, divisão celular e desenvolvimento embrionário.

Embora muito se saiba de anos de estudo, os cientistas ainda têm uma compreensão incompleta de muitos aspectos da fertilização devido a limitações técnicas, em particular, uma imagem abrangente das proteínas envolvidas, suas funções e o que acontece com eles ao longo do tempo.

Leitura de código de barras

Com os colegas Marc Presler e Elizabeth Van Itallie, alunos de pós-graduação em biologia de sistemas na Harvard Medical School, e Allon Klein e Steven Gygi, professores de biologia de sistemas e biologia celular na Harvard Medical School, Kirschner e a equipe de pesquisa usaram uma técnica para rotular proteínas em ovos de Xenopus com etiquetas químicas semelhantes a códigos de barras, permitindo aos cientistas analisar milhares de proteínas ao mesmo tempo usando espectrometria de massa.

Quando combinado com uma nova metodologia analítica, esta abordagem permitiu que a equipe medisse os níveis absolutos de proteínas em uma célula e revelasse detalhes sobre a fosforilação de uma proteína - uma das principais modificações químicas que as células usam para regular a atividade de uma proteína.

Fazendo medições durante e até 20 minutos após a fertilização, os pesquisadores descobriram que os níveis de um pequeno número de proteínas de baixa abundância caem rapidamente.

Em alguns minutos, a destruição dessas proteínas causa o reverso da fosforilação de uma gama muito mais ampla de proteínas em toda a célula - um processo que promove a conclusão do ciclo celular, incluindo a separação de cópias de cromossomos, que prepara o ovo para um maior crescimento.

Enquanto apenas cerca de 0,01 por cento da massa total de proteína da célula foi degradada, a equipe descobriu que a fertilização também desencadeia a expulsão de 50 vezes essa quantidade de proteína da célula. Principalmente armazenado em compartimentos celulares perto da membrana, esses conjuntos de proteínas são provavelmente secretados para ajudar a prevenir a fertilização por vários espermatozoides, disseram os pesquisadores.

Esta liberação coincide com um aumento substancial na fosforilação de várias proteínas de sinalização e outras que desempenham um papel na geração de ondas de contração na superfície do ovo imediatamente após a fertilização.

O ovo também secreta várias enzimas degradadoras de proteínas fora da célula, que os pesquisadores suspeitam que ajuda a bloquear vários eventos de fertilização, destruindo as proteínas de ligação aos espermatozoides. Em uma descoberta um tanto paradoxal, a equipe também observou um aumento nas proteínas que inibem a atividade das enzimas que degradam as proteínas. As razões, Contudo, permanecem obscuros e apresentam um caminho para estudos futuros.

"Pudemos observar características novas e anteriormente conhecidas do ciclo celular, mas também conseguimos desenredar outros grandes eventos que acontecem em paralelo, "Disse Presler." A fertilização ocorre por meio da coordenação de milhares de moléculas de uma só vez, e pela primeira vez temos a oportunidade de compreendê-lo nesta escala. "

A nova metodologia permite medir os níveis absolutos de proteínas e fosforilação por meio de uma combinação de abordagens tecnológicas e matemáticas. Ele representa uma melhoria significativa em relação às análises de proteínas em grande escala comumente usadas que podem tornar a previsão precisa de diferenças funcionais um desafio.

Ao melhorar significativamente os detalhes e a escala em que os cientistas podem estudar a composição e modificações de proteínas, mesmo em janelas estreitas de tempo, a equipe acredita que essas técnicas podem ser aplicadas a muitos sistemas biológicos.

"Para compreender e curar doenças, precisamos de uma compreensão mais precisa do que está acontecendo normalmente, processos saudáveis, "Disse Presler." Perguntamos quais eram as diferenças moleculares entre um óvulo fertilizado e um óvulo não fertilizado, mas esta abordagem é imediatamente aplicável para estudar outras questões importantes, como as diferenças entre as células saudáveis ​​e as de doença. "

"A bioquímica das proteínas impulsiona grande parte da função de uma célula, e esta metodologia pode nos dar uma imagem mais completa de como as células fazem o que fazem, " ele disse.