Heimdall SNAREs reveal an ancestral architecture of eukaryotic SNARE complexes

A vida como a conhecemos é construída sobre uma divisão fundamental entre dois tipos de células. Um tipo, encontrado em bactérias e arqueias, é simples e carece de compartimentos internos. O outro, encontrado em plantas, animais e fungos, é complexo, repleto de salas distintas como o núcleo e as mitocôndrias produtoras de energia. Por décadas, cientistas se perguntaram como essa célula complexa, com seu intrincado sistema de transporte interno, surgiu pela primeira vez a partir de um ancestral mais simples. Uma pista importante reside na maquinaria que move materiais entre essas salas internas. Em células complexas, pequenas bolhas chamadas vesículas transportam carga de um lugar para outro, fundindo-se com membranas alvo para entregar sua carga. Essa fusão é impulsionada por um conjunto específico de proteínas que atuam como zíperes moleculares, puxando duas membranas uma contra a outra até que elas se unam. Essas proteínas, conhecidas como SNAREs, são essenciais para a vida em organismos complexos, mas sua origem evolutiva permaneceu um mistério. Esse maquinário sofisticado surgiu subitamente com a primeira célula complexa ou evoluiu de um sistema mais simples que existia em nossos ancestrais antigos?

Para responder a isso, pesquisadores voltaram sua atenção para um grupo de organismos microscópicos chamados arqueias Asgard. Descobertas relativamente recentemente através da análise genética de sedimentos oceânicos, esses organismos unicelulares são os parentes conhecidos mais próximos dos ancestrais da vida complexa. Algumas espécies dentro deste grupo, especificamente aquelas chamadas Heimdallarchaeota, foram encontradas possuindo genes que se assemelham surpreendentemente aos usados por células complexas para o transporte interno. Entre esses genes estão instruções para fabricar proteínas que se parecem com os zíperes SNARE. No entanto, ter o projeto genético não é o mesmo que provar que a máquina funciona. A questão crítica era se essas proteínas antigas poderiam realmente se montar em feixes de quatro fitas estáveis necessários para fundir membranas, ou se eram meros remanescentes quebrados de um sistema que nunca funcionou da maneira que vemos hoje.

Uma equipe de cientistas estabeleceu o objetivo de testar isso isolando e estudando essas proteínas SNARE de Heimdall em laboratório. Eles focaram em uma proteína específica, que nomearam de HPS1, encontrada em um organismo Heimdallarchaeota. Primeiro, eles purificaram a proteína e examinaram suas propriedades físicas. Eles descobriram que a proteína era incrivelmente estável, resistindo ao calor e ao estresse químico que destruiriam a maioria das outras proteínas. Quando analisaram sua forma em solução, a proteína não flutuava como uma única fita; em vez disso, ela se agrupava espontaneamente com três cópias idênticas de si mesma para formar um feixe apertado de quatro fitas. Esta foi uma descoberta significativa porque, em células complexas, o feixe funcional é feito de quatro tipos diferentes de proteínas trabalhando juntas. O fato de a versão antiga poder formar um feixe estável usando quatro cópias idênticas sugeriu uma versão ancestral mais simples da maquinaria.

Para ver exatamente como esse feixe era construído, os pesquisadores cultivaram cristais da proteína e usaram raios X para mapear sua estrutura atômica. A imagem resultante revelou uma corda longa e torcida feita de quatro hélices idênticas enroladas umas nas outras. No centro exato deste feixe, havia uma camada específica onde quatro grupos químicos idênticos, feitos do aminoácido glutamina, se encontravam. Em células complexas, essa camada central é geralmente formada por uma mistura de diferentes grupos químicos, criando uma estrutura assimétrica que é crucial para o processo de fusão. Os pesquisadores descobriram que o feixe antigo era perfeitamente simétrico, com todos os quatro lados parecendo exatamente iguais. Apesar dessa simetria, o núcleo do feixe era embalado de forma tão justa e segura quanto as versões complexas encontradas em células humanas. Isso indicou que a arquitetura fundamental do feixe SNARE existia muito antes das células complexas evoluírem, originando-se de um sistema homogêneo de quatro partes idênticas.

Os pesquisadores então usaram simulações computacionais para explorar como esse feixe antigo poderia se comportar em comparação com a versão moderna. Eles testaram se simplesmente trocar um dos quatro grupos de glutamina idênticos por um grupo químico diferente, como visto em células complexas, criaria imediatamente a estrutura assimétrica encontrada hoje. As simulações mostraram que essa troca simples não funcionou; o feixe não se rearranjou espontaneamente para a forma complexa e assimétrica. Em vez disso, o design simétrico antigo permaneceu estável por conta própria. Isso sugere que a transição do sistema simples de quatro partes idênticas para o sistema complexo e especializado de quatro partes não foi uma mudança rápida ou acidental. Provavelmente exigiu um processo evolutivo mais longo, onde as proteínas mudaram e se especializaram gradualmente ao longo do tempo.

Experimentos adicionais mostraram que, quando os pesquisadores inseriram a versão de comprimento total desta proteína antiga em células humanas, ela viajou com sucesso para o sistema de membrana interna da célula, especificamente o retículo endoplasmático. Isso demonstrou que a proteína antiga era compatível com a maquinaria celular de vida complexa, capaz de se inserir em membranas e encontrar o caminho para o local correto. O estudo também analisou a história genética dessas proteínas, descobrindo que elas estão presentes em várias espécies de Heimdallarchaeota, mas estão ausentes em outros grupos relacionados. Essa distribuição apoia a ideia de que o ancestral da vida complexa provavelmente possuía este tipo específico de proteína SNARE antes de se separar de seus primos arqueanos.

As descobertas pintam um quadro claro de como a complexidade celular pode ter surgido. A maquinaria essencial para mover materiais dentro de uma célula não apareceu do nada quando a primeira célula complexa se formou. Em vez disso, ela evoluiu de um sistema pré-existente em um antigo ancestral arqueano. Esse ancestral possuía um feixe de proteína simples e simétrico que podia formar estruturas estáveis. Ao longo de milhões de anos, este kit básico foi duplicado e modificado, dando origem eventualmente ao conjunto diverso e especializado de proteínas que impulsionam os sistemas de transporte interno complexos das plantas e animais modernos. O estudo confirma que as raíhas profundas de nossa complexidade celular residem no mundo antigo e simétrico das arqueias, onde os primeiros passos em direção à intrincada maquinaria da vida foram dados muito antes da primeira célula complexa existir.