Empurrando os limites da microscopia crioeletrônica, Universidade da Califórnia, Berkeley, os cientistas capturaram imagens congeladas da forma mutável de uma molécula enorme, uma das principais máquinas moleculares do corpo, à medida que se liga ao DNA e carrega a máquina para ler o código genético.

A molécula, chamado fator de transcrição IID, é fundamental para a transcrição de genes em RNA que mais tarde serão usados ​​como projetos para a produção de proteínas. Por causa de suas muitas partes móveis e grande tamanho, Contudo, A estrutura 3-D do TFIID tem sido difícil de capturar:as partes móveis tornam-se um borrão.

Cryo-EM, uma técnica de imagem cujos descobridores ganharam o Prêmio Nobel de Química de 2017, é a única maneira de obter um instantâneo de volumosos, estruturas flexíveis como esta. As informações estruturais de alta resolução são essenciais para entender como o TFIID traduz as instruções de operação em nosso genoma e como às vezes ele fica confuso.

O novo, instantâneos mais detalhados das partes móveis da molécula podem ajudar os criadores de medicamentos a criar drogas que interferem nas mudanças estruturais da molécula para ajustar a expressão de um gene que está causando a doença.

"Essas estruturas dão a você o potencial para projetar racionalmente pequenas moléculas que irão perturbar a função normal, porque agora não temos apenas uma estrutura, temos muitas estruturas, que é ainda mais poderoso porque podemos direcionar o movimento que estamos vendo agora, "disse Eva Nogales, professor de biologia molecular e celular da UC Berkeley e cientista do Lawrence Berkeley National Laboratory.

Nogales e seus colegas, mais proeminentemente estudantes de graduação da UC Berkeley, Avinash Patel e Robert Louder, postaram suas descobertas online esta semana, antes da publicação impressa no jornal Ciência .

"Onde você coloca essa droga e como você faz essa droga funcionar é altamente dependente da natureza transitória dessas estruturas, e isso é algo que percebemos apenas muito recentemente, "disse Robert Tjian, um professor de biologia molecular e celular da UC Berkeley que descobriu o TFIID e trabalhou na molécula durante grande parte de sua carreira, embora ele não fosse um co-autor do novo artigo. "Como essas moléculas se movem e suas estruturas são tão complicadas, a descoberta de medicamentos convencionais nunca revelaria o que está acontecendo. As estruturas de Eva vão mudar isso. Isso tem o potencial de abrir o universo de alvos drogáveis. "

Moléculas de congelamento

TFIID é uma aglomeração de mais de uma dúzia de proteínas distintas que se dirigem a um promotor - uma região do DNA que controla a transcrição de um gene próximo - e testa a sequência para ter certeza de que pousou no local certo. Assim que isso for confirmado, ele se abre para recrutar dezenas de outras proteínas que, então, começam a se mover ao longo do gene, usando a sequência de DNA como um modelo para criar uma sequência complementar de RNA, chamado RNA mensageiro. Este então segue seu caminho para fora do núcleo para o corpo da célula, onde é traduzido por outras máquinas moleculares em proteína.

"TFIID é provavelmente a estrutura mais difícil que alguém já tentou resolver, porque é enorme e altamente flexível, "disse Tjian." A única maneira de ver essas estruturas muito flexíveis é por crio-EM, e Eva agora pode congelar todos esses diferentes estados flexíveis e descrever o movimento. "

Cryo-EM envolve o congelamento de uma gota contendo milhões de cópias de uma molécula, em todas as orientações imagináveis, e usando um microscópio eletrônico para determinar a estrutura combinando imagens para definir a forma 3-D. Como o TFIID tem muitas partes móveis à medida que se liga ao DNA e se prepara para transcrever um gene, calcular a média de todas as posições congeladas produz uma imagem borrada.

Nogales compara os esforços anteriores em imagens TFIID, incluindo suas próprias tentativas de quase 20 anos, a tirar uma foto de um time de futebol no campo e fazer a média dos movimentos de todos os jogadores. O resultado é um torso humano genérico com cabeça e membros embaçados.

Imaginando o campo de futebol

Agora, graças a mais de dois anos de trabalho intensivo de Patel e Louder, é possível capturar imagens de alta resolução que são semelhantes a distinguir um chute de perna de um atacante de um bloqueio de mão de goleiro e uma cabeçada de zagueiro.

“Imagine que você tem uma imagem dos 22 jogadores de futebol em campo, e você deveria combiná-los em uma única unidade que você chamaria de 'jogador de futebol genérico, "Ela disse." Vai parecer uma imagem borrada - você mal consegue ver que é uma forma humanóide e que há algum tipo de movimento, mas você não perceberia que existe uma diferença entre os jogadores. "

As imagens melhoradas são resultado de melhores detectores desenvolvidos originalmente por colegas do Berkeley Lab, e melhorar continuamente os algoritmos de computador para analisar as enormes quantidades de dados coletados pelos detectores. Isso ajudou Nogales e sua equipe a definir cinco estruturas distintas da molécula TFIID.

"They span the whole binding sequence:before binding to the DNA, initial binding to the promoter, subsequent binding after it double checks that this is the right place, and the final state, " Nogales said.

She and her colleagues continue to push the limits of cryo-EM, hoping to determine the 3-D structure of TFIID after other transcription proteins land on it to complete the transcription process.