Uma proteína chave para converter células-tronco adultas em células que se assemelham a células-tronco embrionárias foi visualizada em detalhes sem precedentes por uma equipe internacional de pesquisadores em torno de Hans Schöler e Vlad Cojocaru do Instituto Max Planck de Biomedicina Molecular em Münster. Ao combinar experimentos e simulações de computador, a equipe visualizou como a proteína Oct4 se liga e abre pequenos pedaços de DNA enquanto envolve proteínas de armazenamento nuclear (histonas), assim como em nosso genoma. Os resultados foram publicados na revista Nucleic Acids Research em 22 de setembro.
As células adultas podem ser convertidas em células semelhantes a células-tronco embrionárias (células pluripotentes induzidas, iPSCs) usando um coquetel de apenas quatro proteínas. Nos últimos anos, essa tecnologia de reprogramação celular contribuiu imensamente para a modelagem de doenças, desenvolvimento de medicamentos e terapias de reposição celular. No entanto, muitas questões sobre os mecanismos moleculares dessa conversão permanecem sem resposta. Por exemplo, um passo essencial é a abertura do DNA nas células a serem convertidas. Cada uma de nossas células contém cerca de dois metros de DNA empacotado em uma estrutura conhecida como cromatina. Na cromatina, o DNA está firmemente enrolado em histonas em unidades estruturais repetidas conhecidas como nucleossomos. Então, como essas quatro proteínas abrem o DNA quando expressas em células adultas?

4 de outubro:um regulador pioneiro de células-tronco pluripotentes

Três das quatro proteínas foram descritas como fatores de transcrição pioneiros, o que significa que se ligam a sequências específicas de DNA enquanto estão envoltas em nucleossomos e têm a capacidade de abrir a cromatina direta ou indiretamente. Entre os três, o Oct4 se destaca por ser essencial para a manutenção de células-tronco embrionárias de diferentes espécies e para a reprogramação de células humanas. Oct4 foi descoberto no final dos anos 80 por Hans Schöler aproximadamente ao mesmo tempo que dois outros laboratórios e é o único fator insubstituível no coquetel ganhador do Prêmio Nobel de Shinya Yamanaka para reprogramar células adultas em células pluripotentes. Cerca de 10 anos atrás, Abdenour Soufi e Ken Zaret descreveram regiões de DNA empacotado que são ligados por Oct4 nos estágios iniciais de reprogramação.

Caitlin MacCarthy, pós-doutoranda no grupo de Hans Schöler e uma das principais autoras do estudo, forneceu os experimentos de laboratório úmido. Refletindo sobre seu trabalho, MacCarthy explica:"Os experimentos foram mais desafiadores do que prevíamos. Trabalhar com nucleossomos genômicos ou nativos torna-se bastante técnico porque eles são altamente dinâmicos, ao contrário de sequências projetadas que são mais estáveis. Ainda assim, conseguimos mostrar precisamente onde Oct4 se liga a eles." Então, o que acontece quando Oct4 se liga a nucleossomos?

Nanoscópio computacional

Para responder a isso, Jan Huertas, também um dos principais autores do estudo, forneceu as simulações que realizou durante seu doutorado. estudos no MPI Münster. Ele e Vlad Cojocaru usaram o nanoscópio computacional para visualizar como o Oct4 se liga aos nucleossomos e afeta sua estrutura. O termo nanoscópio computacional é usado pelos pesquisadores para se referir a um conjunto de métodos de simulação computacional que permitem visualizar os movimentos das moléculas ao longo do tempo.

A precisão desses métodos é agora tão alta que se pode imaginar observar as moléculas sob um microscópio de altíssima resolução. Os nucleossomos, como todas as estruturas macromoleculares em nossas células, são dinâmicos. Eles se movem, torcem, respiram, desembrulham e envolvem novamente. A visualização desses movimentos em experimentos geralmente é impossível. Huertas explica:"É tão incrível poder observar essas grandes estruturas moleculares com todos os seus átomos se movendo no computador e saber que o que você vê está muito próximo do que realmente acontece".

Oct4 abre nucleossomos

Nos filmes em tempo real dos complexos Oct4-nucleossomo que eles geraram, cada um mostrando 1 a 3 microssegundos do tempo de vida do complexo, Huertas e Cojocaru observaram como Oct4 é capaz de abrir os nucleossomos. Eles descreveram em detalhes atômicos os mecanismos dessa abertura comparando os movimentos de nucleossomos livres e ligados a Oct4.

Curiosamente, a abertura dependeu da posição da sequência de DNA reconhecida por Oct4 no nucleossomo e da mobilidade das regiões flexíveis terminais das histonas, conhecidas como caudas de histonas.

Para entender os fatores pioneiros e as conversões de destino celular

Os pesquisadores estão entusiasmados com as implicações de seu trabalho e perspectivas futuras. Cojocaru, agora um dos principais pesquisadores da Babeş-Bolyai-University, também com nomeações como pesquisador sênior na Universidade de Utrecht, e cientista visitante do MPI Münster, diz:"Mostramos aqui pela primeira vez em detalhes atômicos não apenas como Oct4 se liga a diferentes nucleossomos, mas também como a ligação de Oct4 com as caudas de histonas afeta a flexibilidade estrutural desses nucleossomos."

MacCarthy acrescenta que "porque as caudas de histonas, como fatores pioneiros, também são reguladores-chave da expressão gênica. pode ser expressada."

Huertas explica ainda que "até agora, era um mistério como as caudas de histonas afetam a capacidade de fatores pioneiros de se ligar e abrir nucleossomos. Nosso trabalho abre caminho para estudos futuros de outros fatores pioneiros, muitos dos quais são fundamentais para transformações celulares, incluindo conversões de destino celular e câncer."

Cojocaru diz:"O mecanismo que descrevemos aqui preenche uma lacuna de conhecimento na compreensão de como fatores como Oct4 induzem transições de destino celular. no centro dessas futuras descobertas." + Explorar mais

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