Pesquisadores descobrem reparo do DNA humano por metamorfose nuclear
Crédito:Domínio Público CC0 Pesquisadores da Universidade de Toronto descobriram um mecanismo de reparo do DNA que avança na compreensão de como as células humanas permanecem saudáveis e que pode levar a novos tratamentos para o câncer e o envelhecimento prematuro.
O estudo, publicado na revista Nature Structural and Molecular Biology , também esclarece o mecanismo de ação de alguns medicamentos quimioterápicos existentes.
"Acreditamos que esta pesquisa resolve o mistério de como a fita dupla do DNA se rompe e o envelope nuclear se conecta para reparo nas células humanas", disse o professor Karim Mekhail, co-investigador principal do estudo e professor de medicina laboratorial e patobiologia na U. Faculdade de Medicina Temerty de T.
“Isso também torna muitas descobertas publicadas anteriormente em outros organismos aplicáveis no contexto do reparo do DNA humano, o que deve ajudar a ciência a avançar ainda mais rápido”.
As quebras da cadeia dupla do DNA surgem quando as células são expostas à radiação e a produtos químicos, e através de processos internos, como a replicação do DNA. Eles são um dos tipos mais graves de danos ao DNA porque podem retardar o crescimento celular ou acelerá-lo, promovendo o envelhecimento e o câncer.
A nova descoberta, feita em células humanas e em colaboração com o professor Razqallah Hakem, pesquisador da University Health Network e professor da Temerty Medicine, amplia pesquisas anteriores sobre danos no DNA em leveduras realizadas por Mekhail e outros cientistas.
Em 2015, Mekhail e colaboradores mostraram como as proteínas motoras nas profundezas do núcleo das células de levedura transportam quebras de fita dupla para complexos proteicos "semelhantes a hospitais de DNA" incorporados no envelope nuclear na borda do núcleo.
Outros estudos descobriram mecanismos relacionados durante a reparação do ADN em moscas e outros organismos. No entanto, os cientistas que exploram mecanismos semelhantes em células humanas e de outros mamíferos relataram pouca ou nenhuma mobilidade do ADN para a maioria das quebras.
“Sabíamos que as proteínas do envelope nuclear eram importantes para a reparação do ADN na maioria destes organismos, por isso questionámo-nos como explicar a mobilidade limitada do ADN danificado nas células de mamíferos”, diz Mekhail.
A resposta é surpreendente e elegante.
Quando o DNA dentro do núcleo de uma célula humana é danificado, uma rede específica de filamentos de microtúbulos se forma no citoplasma ao redor do núcleo e empurra o envelope nuclear. Isso provoca a formação de pequenos tubos, ou túbulos, que alcançam o núcleo e capturam a maioria das quebras da fita dupla.
“É como se os dedos empurrassem um balão”, diz Mekhail. “Quando você aperta um balão, seus dedos formam túneis em sua estrutura, o que força algumas partes do exterior do balão para dentro de si.”
Outras pesquisas realizadas pelos autores do estudo detalharam vários aspectos desse processo. Enzimas chamadas quinases de resposta a danos no DNA e tubulina acetiltransferase são os principais reguladores do processo e promovem a formação dos túbulos.
As enzimas depositam uma marca química numa parte específica dos filamentos dos microtúbulos, o que faz com que recrutem pequenas proteínas motoras e empurrem o envelope nuclear. Consequentemente, os complexos proteicos promotores de reparação empurram o envelope profundamente para dentro do núcleo, criando pontes para as quebras do ADN.
“Isso garante que o núcleo sofra uma forma de metamorfose reversível, permitindo que o envelope se infiltre temporariamente no DNA por todo o núcleo, capturando e reconectando o DNA quebrado”, diz Mekhail.
As descobertas têm implicações significativas para alguns tratamentos contra o câncer.
As células normais usam os túbulos do envelope nuclear para reparar o DNA, mas as células cancerígenas parecem precisar mais deles. Para explorar o impacto potencial do mecanismo, a equipe analisou dados que representam mais de 8.500 pacientes com vários tipos de câncer. A necessidade era visível em vários tipos de cancro, incluindo o cancro da mama triplo negativo, que é altamente agressivo.
"Há um enorme esforço para identificar novos caminhos terapêuticos para pacientes com câncer, e esta descoberta é um grande passo em frente", diz Hakem, cientista sênior do Princess Margaret Cancer Center da UHN e professor do departamento de biofísica médica e do departamento da U of T. de medicina laboratorial e patobiologia.
"Até agora, os cientistas não tinham certeza quanto ao impacto relativo do envelope nuclear na reparação do DNA danificado em células humanas. Nossa colaboração revelou que o direcionamento de fatores que modulam o envelope nuclear para o reparo do DNA danificado restringe efetivamente o desenvolvimento do câncer de mama", diz Hakem. .
No agressivo câncer de mama triplo negativo, há níveis elevados de túbulos, provavelmente porque apresentam mais danos ao DNA do que as células normais. Quando os pesquisadores eliminaram os genes necessários para controlar os túbulos, as células cancerígenas foram menos capazes de formar tumores.
Um medicamento usado para tratar o câncer de mama triplo negativo é uma classe de medicamentos chamados inibidores de PARP. PARP é uma enzima que se liga e ajuda a reparar o DNA danificado. Os inibidores de PARP impedem que a enzima realize o reparo, evitando que as extremidades de uma quebra de fita dupla de DNA nas células cancerígenas se reconectem.
As células cancerígenas acabam unindo duas pontas quebradas que não fazem parte do mesmo par. À medida que mais pares incompatíveis são criados, as estruturas de DNA resultantes tornam-se impossíveis de serem copiadas e divididas pelas células.
“Nosso estudo mostra que a capacidade da droga de desencadear essas incompatibilidades depende dos túbulos. Quando menos túbulos estão presentes, as células cancerígenas são mais resistentes aos inibidores de PARP”, diz Hakem.
Parcerias entre pesquisadores de áreas distintas foram essenciais para as descobertas em células cancerígenas. O estudo ressalta a importância da colaboração interdisciplinar, diz Mekhail.
"A capacidade intelectual por trás de cada projeto é crucial. Cada membro da equipe conta. Além disso, cada colaborador certo adicionado ao projeto de pesquisa equivale a obter outro doutorado em uma nova especialidade; é poderoso", diz ele.
Mekhail observa que a descoberta também é relevante para condições de envelhecimento prematuro, como a progéria. A rara condição genética causa envelhecimento rápido nas primeiras duas décadas de vida, geralmente levando à morte precoce.
A progéria está ligada a um gene que codifica a lâmina A. Mutações neste gene reduzem a rigidez do envelope nuclear. A equipe descobriu que a expressão da lâmina A mutante é suficiente para induzir os túbulos, que os agentes prejudiciais ao DNA aumentaram ainda mais. A equipe acredita que mesmo uma pressão fraca no envelope nuclear estimula a criação de túbulos nas células que envelhecem prematuramente.
Os resultados sugerem que na progéria, a reparação do ADN pode ser comprometida pela presença de demasiados ou mal regulados túbulos. Os resultados do estudo também têm implicações para muitas outras condições clínicas, diz Mekhail.
“É emocionante pensar sobre onde estas descobertas nos levarão a seguir”, diz Mekhail. "Temos excelentes colegas e estagiários incríveis aqui na Temerty Medicine e em nossos hospitais parceiros. Já estamos trabalhando para acompanhar esta descoberta e usar nosso trabalho para criar novas terapêuticas."
