Structural basis for co-translational assembly of homo-oligomeric proteins in cis and in trans

Dentro de cada célula viva, máquinas minúsculas chamadas ribossomos atuam como as fábricas da vida, lendo instruções genéticas para construir proteínas. Essas proteínas são os cavalos de carga da célula, mas raramente trabalham sozinhas. Para funcionar, elas devem frequentemente se encaixar com outras proteínas para formar estruturas complexas, de forma muito semelhante a engrenagens individuais travando em um mecanismo de relógio. Por décadas, os cientistas acreditaram que essas conexões geralmente aconteciam depois que uma proteína era totalmente construída e liberada na célula. No entanto, pesquisas recentes revelaram que muitas proteínas começam a se montar com seus parceiros enquanto ainda estão sendo construídas, um processo conhecido como montagem co-traducional. Essa conexão precoce ajuda a evitar que as proteínas se emaranhem ou se degradem no ambiente lotado da célula. Uma questão importante permanecia: quando duas proteínas idênticas precisam unir forças, elas se encontram enquanto estão sendo construídas na mesma fita de material genético, ou elas buscam parceiros sendo construídos em fitas completamente diferentes próximas?

Uma equipe de pesquisadores do Centro de Biologia Molecular da Universidade de Heidelberg respondeu agora a essa pergunta para uma proteína bacteriana específica chamada PheA. Ao usar técnicas avançadas de imagem e ferramentas genéticas, eles descobriram que essa proteína ignora amplamente a regra de que a montagem ocorre na mesma fita genética. Em vez disso, descobriram que as moléculas de PheA frequentemente se montam ao alcançar parceiros que estão sendo construídos em fitas de material genético vizinhas e separadas. Essa descoberta revela um nível surpreendente de organização na célula bacteriana, onde os ribossomos em diferentes instruções genéticas se ligam fisamente para formar vastas redes interconectadas que garantem que essas proteínas sejam construídas corretamente e de forma eficiente.

Os pesquisadores focaram na PheA, uma enzima de duas partes encontrada na bactéria E. coli que ajuda a célula a produzir um nutriente vital. Essa enzima é feita de duas metades idênticas que devem girar uma em torno da outra para funcionar. Os cientistas sabiam que, se essas metades não se unissem imediatamente após uma seção específica da proteína emergir do ribossomo, a proteína provavelmente se dobraria incorretamente e se tornaria inútil. Para entender como esse encaixe acontece, a equipe primeiro observou o comportamento dos ribossomos na célula. Eles usaram um método para separar os aglomerados pesados de ribossomos dos mais leves e descobriram que, quando a PheA era produzida em grandes quantidades, os ribossomos formavam aglomerados massivos e pesados que afundavam no fundo de seus tubos de teste. Esses aglomerados desapareciam quando os pesquisadores tratavam a amostra com uma enzima que digere as cadeias proteicas, provando que os ribossomos estavam mantidos unidos pelas próprias cadeias de proteínas em crescimento, em vez de apenas flutuarem aleatoriamente.

Para ver exatamente como essas cadeias se conectavam, a equipe desenvolveu um experimento inteligente usando duas versões ligeiramente diferentes do gene PheA. Eles colocaram esses dois genes em fitas genéticas separadas dentro da mesma célula. Uma versão da proteína foi marcada com uma "alça" específica e a outra com uma alça diferente. Quando eles extraíram as proteínas com a primeira alça, descobriram que a segunda versão da proteína estava anexada a ela. Isso forneceu prova direta de que as duas metades da enzima estavam se unindo, embora estivessem sendo construídas a partir de instruções genéticas completamente diferentes. Isso significava que a montagem estava ocorcendo em trans, ou seja, através de diferentes fitas genéticas, em vez de em cis, ou na mesma fita.

A equipe então recorreu a uma poderosa técnica de imagem chamada criomicroscopia eletrônica para visualizar os próprios ribossomos. Eles congelaram os ribossomos em uma fina camada de gelo e tiraram milhares de imagens de alta resolução para ver como eles estavam arranjados. Eles mediram a distância entre os túneis de saída dos ribossomos, os pequenos buracos por onde as novas cadeias de proteínas emergem. Descobriram que, quando a PheA estava sendo construída, os ribossomos se posicionavam de modo que esses túneis de saída ficassem muito próximos, a cerca de 120 angstroms de distância. Essa proximidade permitiu que as cadeias de proteínas emergentes se tocassem e se travassem quase imediatamente. Surpreendentemente, as imagens mostraram que esses ribossomos não tinham uma orientação fixa; eles podiam girar e mover-se livremente, desde que seus túneis de saída permanecessem próximos. Essa flexibilidade sugeriu que os ribossomos não estavam presos em uma formação rígida, mas estavam se encontrando dinamicamente para facilitar a conexão.

Quando os pesquisadores observaram os ribossomos em fitas genéticas intactas, descobriram que a proximidade próxima dos túneis de saída ocorria com mais frequência entre ribossomos em fitas diferentes. Embora fosse possível que ribossomos na mesma fita se conectassem, isso era raro e geralmente exigia que a fita genética se curvasse sobre si mesma para que ribossomos distantes pudessem se alcançar. Os vizinhos diretos na mesma fita estavam, na verdade, longe demais para conectar suas proteínas emergentes. Essa descoberta desafiou a ideia predominante de que proteínas idênticas geralmente se montam na mesma fita genética. Em vez disso, para a PheA, a célula depende de uma rede de diferentes fitas genéticas se unindo.

Os pesquisadores explicaram que essa preferência por conectar-se através de diferentes fitas deve-se provavelmente à velocidade com que a PheA deve se montar. A parte da proteína que precisa se unir ao seu parceiro é muito curta e emerge rapidamente. Se os ribossomos estivessem presos na mesma fita, a geometria do material genético forçaria os túneis de saída a ficarem longe demais para que as proteínas se conectassem a tempo. Ao permitir que ribossomos em diferentes fitas se aproximem, a célula cria um ambiente flexível onde as proteínas podem se encontrar instantaneamente. Esse mecanismo garante que a enzima seja construída corretamente sem desperdiçar energia ou criar partes defeituosas.

Este estudo fornece uma visão clara de como as células organizam a construção de máquinas complexas. Mostra que a célula não depende de um único método rígido para montar proteínas. Em vez disso, utiliza a proximidade física dos ribossomos, independentemente de em qual fita genética eles estejam, para garantir que as proteínas encontrem seus parceiros no momento exato. Para a PheA, isso significa que a célula constrói uma teia dinâmica de ribossomos, ligando diferentes instruções genéticas para resolver um problema estrutural. Esta descoberta sugere que o interior lotado de uma célula não é apenas uma mistura caótica de partes, mas um espaço altamente organizado onde o arranjo físico das máquinas é ajustado às necessidades específicas das proteínas que estão sendo feitas.