Cientistas determinam estrutura 3D de enzima ligada à gagueira

Posted on junho 4, 2013

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A enzima de descobertura (UCE – uncovering enzyme) é parte importante de um sistema que digere e recicla moléculas indesejadas em nossas células. Ela realiza seu trabalho no aparelho de Golgi – a estrutura dobrada mostrado em azul –, onde ajuda a processar proteínas digestivas que serão encaminhadas para o interior dos lisossomos, organelas que funcionam como o estômago das células. Mutações na UCE estão relacionadas a discretas alterações metabólicas em camundongos e à gagueira persistente do desenvolvimento em humanos. Os cientistas agora descobriram a estrutura 3D do sítio ativo da enzima, que pertence a uma nova família de proteínas, sem equivalência com nenhuma outra enzima do genoma humano. O amontoado de átomos visto em primeiro plano é a estrutura macromolecular da versão microbiana da UCE. (Crédito da ilustração: Greg Stewart / SLAC).

Cientistas de Stanford determinam estrutura 3D de enzima ligada à gagueira persistente do desenvolvimento

Por Glennda Chui

Modelo espacial da enzima UCE (uncovering enzyme, ou “enzima de descobertura”). O ponto verde no alto representa um átomo de cloro situado na entrada da cavidade do sítio ativo da enzima. Até o momento, a única alteração em humanos relacionada a esta enzima é a gagueira persistente do desenvolvimento. (Crédito da ilustração: RCSB Protein Data Bank).

Menlo Park, Califórnia (EUA) — Cientistas que integram a comissão de pesquisa genômica do Joint Center for Structural Genomics (JCSG) no laboratório SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) da Universidade de Stanford (EUA) conseguiram determinar a estrutura 3D da parte quimicamente ativa de uma enzima envolvida na gagueira persistente do desenvolvimento.

Trata-se da enzima UCE (abreviatura de uncovering enzyme, ou “enzima de descobertura”), codificada pelo gene NAGPA. Embora a descoberta não seja suficiente para produzir uma cura para a gagueira em pouco tempo, ela é uma grande notícia para cientistas que vinham estudando esta enzima há décadas.

A UCE não só desempenha um papel no tipo de gagueira persistente que ocorre em determinadas famílias, mas também é parte importante de uma via metabólica que digere e recicla componentes desgastados em nossas células. Conhecer a estrutura 3D da enzima ajudará a entender melhor os processos de reciclagem celular e os problemas de saúde que acontecem quando a enzima deixa de funcionar de forma adequada.

Uma equipe liderada pelo cientista do SLAC Debanu Das relatou a descoberta na edição de 9 de abril do periódico Journal of Biological Chemistry. Debanu Das trabalha como biólogo molecular especialista em cristalografia de proteínas no laboratório SSRL (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), e participa como membro do projeto JCSG, um consórcio formado por várias instituições acadêmicas que, depois da conclusão do sequenciamento do genoma humano, estão agora investindo na caracterização da estrutura e função de proteínas, o produto dos genes. O JCSG é parte da Iniciativa Protein Structure, financiada pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas dos EUA, e envolve 10 cientistas do SSRL.

gagueira-enzima-uce-quote01“Vamos atrás de proteínas interessantes sobre as quais ainda não sabemos quase nada, tentamos revelar sua estrutura e, com base nessa estrutura, tentamos entender o que elas estão fazendo na célula e a que processos estão relacionadas”, disse Debanu Das.

No SSRL, os cientistas apontam poderosos feixes de raios-X para amostras cristalizadas de proteína, criando padrões que revelam a estrutura 3D da macromolécula. Eles então analisam a estrutura para entender a função da proteína e, em seguida, vasculham a literatura científica para encontrar cientistas que poderiam se beneficiar desta informação.

Neste caso específico, Das e seus colaboradores estavam trabalhando na estrutura da enzima DUF2233, uma proteína sintetizada por microorganismos que habitam o intestino humano. Vasculhando bancos de dados sobre proteínas e artigos científicos, eles descobriram que representantes desta nova família de proteínas estão presentes em milhares de bactérias e alguns vírus, mas na espécie humana ela tem só um representante – a enzima UCE. “As formas existentes em micróbios e humanos não são idênticas, mas elas estão claramente relacionadas”, disse Das.

Os cientistas já vinham estudando a UCE durante décadas. Ela desempenha um papel fundamental no funcionamento dos lisossomos, sacos celulares cheios de enzimas digestivas que degradam bactérias, vírus e partes desgastadas de células para reciclagem. Quando este processo de reciclagem falha grosseiramente, o resultado pode ser doenças metabólicas como Tay-Sachs e Gaucher, que muitas vezes matam crianças ainda no início da adolescência.

Três anos atrás, os pesquisadores descobriram que três mutações na mesma enzima UCE estavam relacionadas à gagueira persistente do desenvolvimento. Supõe-se que estas mutações prejudiquem de forma seletiva o funcionamento de neurônios envolvidos no processamento da fala.

Das entrou em contato com Stuart Kornfeld, um hematologista da Faculdade de Medicina da Universidade Washington, em Saint Louis, que tem trabalhado por mais de três décadas para esclarecer o papel da UCE no funcionamento dos lisossomos. Eles concordaram em colaborar em estudos posteriores.

gagueira-enzima-uce-quote02Trabalhando na estrutura da versão microbiana da enzima, a DUF2233, Das criou um modelo computacional que prevê a estrutura da UCE humana. O modelo deixa evidente uma cavidade na superfície da UCE que parece ser seu sítio ativo, o local onde a enzima concentra os reagentes do processo químico mediado por ela e induz as moléculas a reagir, num mecanismo conhecido como catálise.

Com esse modelo em mãos, Kornfeld e outros colaboradores criaram várias versões mutantes da UCE para verificar o efeito que a mutação tinha sobre a função da enzima. Estas experiências permitiram constatar que Das tinha realmente identificado o sítio ativo da enzima.

“O modelo computacional criado por Debanu foi o avanço mais importante que tivemos em todos esses anos”, disse Kornfeld, que é co-autor do artigo publicado. “Nós não tínhamos nenhuma ideia sobre que parte da enzima estava envolvida em sua função catalítica.”

Dennis Drayna, geneticista humano do Instituto Nacional de Surdez e Outros Distúrbios de Comunicação, cuja equipe descobriu as mutações ligadas à gagueira, disse que a falta de conhecimento sobre a estrutura e a função da enzima UCE tem dificultado os estudos sobre seus efeitos.

“A razão pela qual essa descoberta é tão interessante para nós é porque muitos dos detalhes da natureza bioquímica da UCE eram realmente obscuros”, disse ele. “Ela era uma espécie de caixa preta. A enzima UCE é um exemplar único em todo o genoma humano, até onde sabemos.”

Embora as três mutações da UCE respondam por apenas 10 por cento dos casos de gagueira persistente que ocorrem em famílias (que por sua vez representam metade do total de casos), isso se traduz em cerca de 3 milhões de pessoas em todo o mundo, acrescenta Drayna. E, embora nenhuma das mutações relacionadas à gagueira descobertas até agora ocorram dentro da cavidade do sítio ativo da enzima, isto não significa que elas não tenham impacto sobre sua função química, uma vez que praticamente todas as partes da proteína estão envolvidas, de alguma forma, em seu trabalho.

Outro co-autor do estudo, o biólogo estrutural Ashley Deacon, chefe da Divisão de Genômica Estrutural do laboratório SSRL, disse que os cientistas de lá continuam a investigar a estrutura de outras partes da UCE fora do sítio ativo. “Conseguir cristalizar a molécula inteira de uma só vez não é algo muito provável – proteínas humanas são frequentemente bastante grandes, com um monte de regiões flexíveis –, mas podemos cristalizar um único domínio da enzima de cada vez”, disse ele. “Vamos ver até onde conseguimos chegar.”

Abaixo, veja uma representação esquemática da via metabólica afetada pelas primeiras mutações genéticas associadas à gagueira — via da qual participa a enzima UCE. Ela catalisa o segundo passo da via, a remoção de um grupamento GlcNAc (N-acetil-D-glicosamina) para expor o sinalizador manose-6-fosfato (M6P), que atua como uma espécie de etiqueta de transporte para a proteína digestiva que precisa ser encaminhada ao lisossomo.

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Fonte original da notícia: SLAC Study Reveals Active Site of Enzyme Linked to Stuttering.
Data de publicação: 22 de maio de 2013.

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