Mistério de décadas resolvido: cientistas decifram o código de reparo do DNA

Pesquisadores do LMS e do LMB descobriram como o complexo de proteínas D2-I identifica e repara ADN dano, um avanço que promete melhorar os tratamentos de câncer ao melhorar nossa compreensão das vias de reparo do DNA. Esta colaboração pode abrir caminho para terapias mais eficazes ao mirar os mecanismos que as células cancerígenas usam para resistir ao tratamento.

Uma colaboração entre pesquisadores dos dois principais institutos financiados pelo Conselho de Pesquisa Médica do Reino Unido — o Laboratório de Ciências Médicas (LMS) em Londres e o Laboratório de Biologia Molecular (LMB) em Cambridge — desvendou um mistério de décadas, o que pode levar a melhores tratamentos contra o câncer no futuro.

O trabalho, que revelou o mecanismo básico de como um dos nossos sistemas de reparo de DNA mais vitais reconhece danos ao DNA e inicia seu reparo, tem iludido os pesquisadores por muitos anos. Usando técnicas de imagem de ponta para visualizar como essas proteínas de reparo de DNA se movem em uma única molécula de DNA, e microscopia eletrônica para capturar como elas “se prendem” a estruturas específicas de DNA, esta pesquisa abre caminho para tratamentos de câncer mais eficazes.

A colaboração entre os laboratórios do Professor David Rueda (LMS) e da Dra. Lori Passmore (LMB) foi um exemplo brilhante de como a #ciênciaemequipe pode gerar resultados frutíferos e ressalta a importância desses dois institutos em impulsionar pesquisas que desbloqueiam os mecanismos fundamentais da biologia que sustentarão a futura tradução desse trabalho em melhorias na saúde humana.

Uma única molécula de DNA (não diretamente visível) é capturada usando esferas microscópicas (os círculos grandes). Cada um dos pontos vermelhos, verdes ou amarelos que se movem entre as esferas representa um complexo de proteína FANCD2I-FANCI deslizando ao longo da molécula de DNA, monitorando-a para danos. Crédito: Laboratório de Ciências Médicas do MRC

Desvendando o mecanismo de reparo do DNA

Os pesquisadores estavam trabalhando em uma via de reparo do DNA, conhecida como via da Anemia de Fanconi (FA), que foi identificada há mais de vinte anos. O DNA é constantemente danificado ao longo de nossas vidas por fatores ambientais, incluindo luz UV do sol, uso de álcool, fumo, poluição e exposição a produtos químicos. Uma maneira pela qual o DNA é danificado é quando ele é “reticulado”, o que o impede de se replicar e expressar genes normalmente. Para se replicar e ler e expressar genes, as duas fitas da dupla hélice do DNA primeiro precisam se descompactar em fitas simples. Quando o DNA é reticulado, os “nucleotídeos” (os “degraus” na escada da dupla hélice do DNA) das duas fitas ficam presos, impedindo esse descompactamento.

O acúmulo de danos ao DNA, incluindo reticulação, pode levar ao câncer. A via FA está ativa durante toda a nossa vida e identifica esses danos e os repara continuamente. Indivíduos que têm mutações que tornam essa via menos eficaz são muito mais suscetíveis a cânceres. Embora as proteínas envolvidas na via FA tenham sido descobertas há algum tempo, um mistério permaneceu sobre como elas identificaram o DNA reticulado e iniciaram o processo de reparo do DNA.

A equipe da instituição irmã do MRC LMS, o LMB em Cambridge, liderada por Lori Passmore, havia identificado anteriormente que o complexo de proteínas FANCD2-FANCI (D2-I), que atua em uma das primeiras etapas da via FA, se prende ao DNA, iniciando assim o reparo do DNA em ligações cruzadas. No entanto, questões-chave permaneceram: como o D2-I reconhece o DNA reticulado e por que o complexo D2-I também está implicado em outros tipos de danos ao DNA?

A pesquisa, publicada na revista Naturezausou uma combinação de técnicas científicas de ponta para mostrar que o complexo D2-I desliza ao longo do DNA fita dupla, monitorando sua integridade, e também visualizou elegantemente como ele reconhece onde parar, permitindo que as proteínas se movam e se fixem naquele ponto para iniciar o reparo do DNA.

Técnicas avançadas lançam luz sobre interações moleculares

Artur Kaczmarczyk e Korak Ray, do grupo de Imagem de Molécula Única de David Rueda, trabalhando com Pablo Alcón, do grupo de Lori Passmore, usaram uma técnica de microscopia de última geração conhecida como “pinças ópticas correlacionadas e imagem de fluorescência” para explorar como o complexo D2-I desliza ao longo de uma molécula de DNA de fita dupla.

Usando pinças ópticas, eles conseguiram capturar uma única molécula de DNA entre duas esferas, o que lhes permitiu manipular precisamente o DNA e incubá-lo com proteínas escolhidas. Usando D2-I marcado fluorescentemente e imagens de molécula única, eles observaram como complexos D2-I individuais se ligam e deslizam ao longo do DNA, escaneando a dupla hélice. Eles descobriram que, em vez de reconhecer a ligação cruzada entre as duas fitas de DNA diretamente, o grampo FA para de deslizar quando atinge uma lacuna de DNA de fita simples, uma região onde uma das duas fitas de DNA está faltando.

O vídeo mostra o complexo FANCD2-FANCI se prendendo ao DNA para repará-lo. Crédito: Laboratório de Ciências Médicas do MRC, Laboratório de Biologia Molecular do MRC

Usando microscopia crioeletrônica, uma técnica poderosa que pode visualizar proteínas em um nível molecular, os pesquisadores determinaram as estruturas do complexo D2-I tanto em sua posição deslizante quanto parada na junção entre DNA fita simples e fita dupla. Isso revelou que os contatos que o D2-I faz com essa junção de DNA fita simples-fita dupla são distintos dos contatos que ele faz apenas com DNA fita dupla. Isso permitiu que eles identificassem uma porção específica da proteína FANCD2, chamada de “hélice KR”, que eles mostraram em seus experimentos de imagem de molécula única ser crítica para reconhecer e parar nas lacunas de DNA fita simples.

Trabalhando com Guillaume Guilbaud e Julian Sale na Divisão PNAC do LMB, e Themos Liolios e Puck Knipscheer no Instituto Hubrecht, na Holanda, eles mostraram ainda que a capacidade do complexo D2-I de parar nessas junções usando a hélice KR é essencial para o reparo do DNA pela via FA.

Quando o DNA normalmente se replica em nossas células, ele descompacta as duas fitas de DNA e copia cada fita simples. Isso cria uma “bifurcação de replicação” onde as fitas originais de DNA são desenroladas e um novo DNA fita dupla é formado em cada fita. No entanto, quando essa bifurcação atinge uma ligação cruzada de DNA, as fitas não podem ser descompactadas, paralisando o processo usual de replicação de DNA. Essa bifurcação de replicação paralisada contém, portanto, lacunas de fita simples expostas onde o DNA foi desenrolado, mas não replicado. Essa pesquisa mostrou que são essas junções entre DNA fita simples e fita dupla na bifurcação de replicação paralisada que o complexo de proteína D2-I se prende firmemente.

Implicações para o tratamento do câncer e além

Isso não só permite que o complexo D2-I traga outras proteínas da via FA para a ligação cruzada do DNA para iniciar o reparo, mas também ancora o DNA fita dupla restante, protegendo a “forquilha de replicação” parada de enzimas na célula que mastigariam a extremidade exposta da fita de DNA e danificariam ainda mais o DNA. Este trabalho mostrou que são as estruturas de DNA dentro da forquilha de replicação que param como resultado do DNA reticulado, em vez do próprio DNA reticulado, que aciona o complexo D2-I para parar de deslizar e prender-se ao DNA para iniciar o reparo. Essas forquilhas de replicação paradas aparecem em muitos tipos de danos ao DNA, explicando o amplo papel do complexo D2-I em outras formas de reparo de DNA, bem como por meio da via FA.

Entender o processo de reparo do DNA e, mais importante, por que ele falha, tem grande importância, pois o dano ao DNA é um fator-chave em muitas doenças. Criticamente, muitos medicamentos contra o câncer, por exemplo, a Cisplatina, funcionam induzindo danos celulares tão sérios às células cancerígenas que elas param de se dividir e morrem. Em tais casos, as vias de reparo do DNA — um processo fisiológico tão vital na vida normal — podem ser sequestradas por células cancerígenas que as usam para resistir aos efeitos dos medicamentos quimioterápicos. Entender a base mecanicista do primeiro passo na via de reparo do DNA pode levar a maneiras de sensibilizar os pacientes para que os medicamentos contra o câncer possam ser mais eficazes no futuro.

Referência: “FANCD2–FANCI surveys DNA and recognizes double-to single-stranded junctions” por Pablo Alcón, Artur P. Kaczmarczyk, Korak Kumar Ray, Themistoklis Liolios, Guillaume Guilbaud, Tamara Sijacki, Yichao Shen, Stephen H. McLaughlin, Julian E. Sale, Puck Knipscheer, David S. Rueda e Lori A. Passmore, 31 de julho de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07770-w

Este trabalho foi financiado pelo UKRI MRC, pelo Wellcome Trust, pelo Conselho Europeu de Pesquisa e pelo EMBO.