O corpo humano foi construído para a sobrevivência. Cada uma de suas células é guardada de perto por um conjunto de proteínas imunológicas armadas com radares quase infalíveis que detectam DNA estranho ou danificado.

Uma das sentinelas mais críticas das células é uma proteína de "primeira resposta" conhecida como cGAS, que detecta a presença de DNA estranho e cancerígeno e inicia uma cascata de sinalização que ativa as defesas do corpo.

A descoberta do cGAS em 2012 desencadeou uma tempestade de investigação científica, resultando em mais de 500 publicações de pesquisa, mas a estrutura e as principais características da forma humana da proteína continuaram a iludir os cientistas.

Agora, cientistas da Harvard Medical School e do Dana-Farber Cancer Institute têm, pela primeira vez, identificou as diferenças estruturais e funcionais no cGAS humano que o diferenciam do cGAS em outros mamíferos e fundamentam sua função única nas pessoas.

Um relatório sobre o trabalho da equipe, publicado em 12 de julho em Célula , descreve as características estruturais da proteína que explicam por que e como o cGAS humano detecta certos tipos de DNA, enquanto ignora os outros.

"A estrutura e o mecanismo de ação do cGAS humano são peças essenciais que faltam na imunologia e na biologia do câncer, "disse o investigador sênior Philip Kranzusch, professor assistente de microbiologia e imunobiologia na Harvard Medical School e no Dana-Farber Cancer Institute. "Nossas descobertas detalhando a composição molecular e função do cGAS humano fecham esta lacuna crítica em nosso conhecimento."

Mais importante, as descobertas podem informar o projeto de drogas de moléculas pequenas adaptadas às características estruturais únicas da proteína humana - um avanço que promete impulsionar as drogas moduladoras de cGAS de precisão que estão atualmente em desenvolvimento como terapias contra o câncer.

"Várias terapias imunológicas experimentais promissoras atualmente em desenvolvimento são derivadas da estrutura do cGAS de camundongo, que contém diferenças estruturais importantes com o cGAS humano, "Kranzusch disse." Nossa descoberta deve ajudar a refinar essas terapias experimentais e estimular o design de novas. Isso abrirá o caminho para o design de drogas guiadas por estrutura que modulam a atividade dessa proteína fundamental. "

As descobertas da equipe explicam uma característica única da proteína humana - sua capacidade de ser altamente seletiva na detecção de certos tipos de DNA e sua propensão a ser ativada com muito mais moderação, em comparação com a proteína cGAS em outros animais.

Especificamente, a pesquisa mostra que o cGAS humano abriga mutações que o tornam extremamente sensível a longos comprimentos de DNA, mas o tornam "cego" ou "insensível" a fragmentos curtos de DNA.

"O cGAS humano é uma proteína altamente discriminante que desenvolveu uma especificidade aprimorada em relação ao DNA, "disse o co-primeiro autor Aaron Whiteley, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Microbiologia e Imunobiologia da Harvard Medical School. "Nossos experimentos revelam o que está por trás dessa capacidade."

Em todos os mamíferos, O cGAS funciona detectando DNA que está no lugar errado. Em condições normais, O DNA é compactado e protegido no núcleo da célula - o "seguro" celular - onde as informações genéticas são armazenadas. O DNA não deve circular livremente pela célula. Quando os fragmentos de DNA acabam fora do núcleo e no citosol da célula, o líquido que envolve as organelas da célula, geralmente é um sinal de que algo sinistro está acontecendo, como danos vindos de dentro da célula ou DNA estranho de vírus ou bactérias que entraram na célula.

A proteína cGAS funciona reconhecendo esse DNA extraviado. Normalmente, está adormecido nas células. Mas assim que detecta a presença de DNA fora do núcleo, O cGAS entra em ação. Faz outro produto químico - um segundo mensageiro - chamado cGAMP, iniciando assim uma reação em cadeia molecular que alerta a célula para a presença anormal de DNA. No final desta reação de sinalização, a célula é reparada ou, se danificado além do reparo, ele se autodestrói.

Mas a saúde e integridade da célula são baseadas na capacidade do cGAS de distinguir DNA inofensivo de DNA estranho ou auto-DNA liberado durante dano celular e estresse.

"É um ato de equilíbrio preciso que mantém o sistema imunológico em equilíbrio. Um cGAS hiperativo pode desencadear a autoimunidade, ou auto-ataque, enquanto o cGAS que não consegue detectar DNA estranho pode levar ao crescimento do tumor e ao desenvolvimento do câncer, "disse o co-primeiro autor Wen Zhou, pesquisador de pós-doutorado na Harvard Medical School e no Dana-Farber Cancer Institute.

O estudo atual revela as mudanças evolutivas na estrutura da proteína que permitem que o cGAS humano ignore alguns encontros com DNA enquanto responde a outros.

Por seu trabalho, a equipe recorreu a um colaborador improvável - Vibrio cholerae, a bactéria que causa cólera, um dos flagelos mais antigos da humanidade.

Tirando vantagem de uma enzima da cólera que compartilha semelhanças com cGAS, os cientistas foram capazes de recriar a função do cGAS humano e de camundongo na bactéria.

Juntando-se a colegas do laboratório do bacteriologista John Mekalanos da Harvard Medical School, os cientistas projetaram um quimérico, ou híbrido, forma de cGAS que incluía material genético de ambas as formas humana e de camundongo da proteína. Em seguida, eles compararam a capacidade do cGAS híbrido de reconhecer o DNA tanto do camundongo intacto quanto das versões humanas intactas da proteína.

Em uma série de experimentos, os cientistas observaram padrões de ativação entre os diferentes tipos de cGAS, reduzindo progressivamente as principais diferenças responsáveis ​​pela ativação diferencial do DNA entre os três.

Os experimentos revelaram que, dos 116 aminoácidos que diferem no cGAS humano e de camundongo, apenas dois foram responsáveis ​​pela função alterada do cGAS humano. De fato, O cGAS humano foi capaz de reconhecer DNA longo com grande precisão, mas ignorou fragmentos curtos de DNA. A versão do rato da proteína, por contraste, não diferenciou entre fragmentos de DNA longos e curtos

"Esses dois minúsculos aminoácidos fazem uma grande diferença, "Whiteley disse." Eles permitem que a proteína humana seja altamente seletiva e responda apenas a DNA longo, enquanto ignora DNA curto, essencialmente tornando a proteína humana mais tolerante à presença de DNA no citosol da célula. "

Traçando a divergência genética em uma escala de tempo evolutiva, os cientistas determinaram que os genes cGAS humanos e de camundongo se separaram em algum momento entre 10 milhões e 15 milhões de anos atrás.

Os dois aminoácidos responsáveis ​​por detectar DNA longo e tolerar DNA curto são encontrados exclusivamente em humanos e primatas não humanos, como gorilas, chimpanzés e bonobos.

Os cientistas levantam a hipótese de que a capacidade de ignorar o DNA curto, mas reconhecer o DNA longo, deve ter conferido alguns benefícios evolutivos.

"Pode ser uma forma de proteção contra um sistema imunológico hiperativo e inflamação crônica, "Kranzusch disse." Ou pode ser que o risco de certas doenças humanas seja reduzido pelo não reconhecimento do DNA curto.

Em um conjunto final de experimentos, a equipe determinou a estrutura atômica do cGAS humano em sua forma ativa, uma vez que se liga ao DNA.

Para fazer isso, eles usaram uma técnica de visualização conhecida como cristalografia de raios-X, which reveals the molecular architecture of protein crystals based on a pattern of scattered X-ray beams.

Profiling the structure of cGAS "in action" revealed the precise molecular variations that allowed it to selectively bind to long DNA, while ignoring short DNA.

"Understanding what makes the structure and function of human cGAS different from those in other species was the missing piece, " Kranzusch said. "Now that we have it, we can really start designing drugs that work in humans, rather than mice."