The conserved β-hairpin of the SUI1 domain is a dual-function structural module governing translation initiation and ribosome recycling in yeast

Dentro de cada célula viva, uma máquina microscópica chamada ribossomo lê instruções genéticas para construir proteínas, os cavalos de carga que mantêm a vida funcionando. Este processo, conhecido como tradução, não é um evento único e contínuo, mas uma série de etapas precisas. Assim que o ribossomo termina de ler um bloco específico de instrução, ele deve soltar a mensagem e reiniciar para começar novamente. Na maioria dos casos, o ribossomo libera suas partes e deixa a mensagem inteiramente. No entanto, algumas mensagens genéticas contêm instruções preliminares curtas antes da principal. Quando o ribossomo termina essas seções preliminares curtas, ele às vezes permanece ligado à mensagem e começa imediatamente a ler a parte seguinte. Essa capacidade de reiniciar sem deixar a mensagem é chamada de reiniciação, e é uma forma crucial pela qual as células regulam quanto de proteína produzem. Se este mecanismo de reinicialização falhar, o ribossomo pode ficar preso ou começar a ler no lugar errado, potencialmente criando proteínas prejudiciais.

Os cientistas sabem há muito tempo que proteínas auxiliares específicas são necessárias para gerenciar este processo de reinicialização. Na levedura, um organismo simples frequentemente usado para estudar a biologia humana, um par de proteínas auxiliares chamadas Tma20p e Tma22p trabalham juntas para garantir que os ribossomos reciclem corretamente. Estas proteínas compartilham uma forma estrutural com outra proteína bem conhecida chamada eIF1, que ajuda a iniciar o primeiríssimo passo de leitura das instruções genéticas. Como elas se parecem tanto, os pesquisadores se perguntaram se o par Tma20p e Tma22p simplesmente copiava o trabalho da proteína iniciadora ou se haviam evoluído para um papel único de reciclagem. Um novo estudo de Kseniya Zamyatnina e sua equipe em instituições de pesquisa russas respondeu agora a esta questão, revelando exatamente como estas proteínas funcionam e o que acontece quando as suas partes específicas são quebradas.

Para entender o trabalho destas proteínas, os pesquisadores construíram um sistema de teste personalizado dentro de células de levedura. Eles criaram mensagens genéticas que agiam como um relatório de duas partes. A primeira parte era uma instrução curta e fácil de ler que o ribossomo terminaria rapidamente. A segunda parte era uma instrução mais longa que o ribossomo só leria se conseguisse reiniciar com sucesso e permanecer na mensagem após terminar a primeira parte. Ao medir a frequência com que o ribossomo movia-se com sucesso da primeira parte para a segunda, a equipe pôde calcular a eficiência do processo de reciclagem. Eles testaram este sistema em células de levedura onde removeram uma ou mais das proteínas auxiliares para ver como o processo de reciclagem mudava.

A equipe primeiro comparou os papéis das diferentes proteínas auxiliares disponíveis na levedura. Eles descobriram que o par de proteínas, Tma20p e Tma22p, desempenhava o papel dominante em impedir que os ribossomos reiniciassem com demasiada facilidade. Quando ambos estavam ausentes, os ribossomos reiniciavam com muita frequência, indicando uma falha no processo de reciclagem. Uma terceira proteína auxiliar, Tma64p, também desempenhava um papel, mas o seu efeito era muito menor. Os pesquisadores descobriram que o par Tma20p e Tma22p era muito mais importante do que a Tma64p no controle deste processo, fosse o ribossomo reiniciando após uma instrução curta ou após uma longa.

O estudo focou então na forma específica da proteína Tma22p. Esta proteína possui uma estrutura distinta em forma de laço feita de partículas carregadas, que se parece muito com uma parte da proteína iniciadora eIF1. Os pesquisadores criaram versões da proteína Tma22p onde removeram ou alteraram este laço específico. Quando alteraram as partículas carregadas neste laço, a proteína perdeu completamente a sua capacidade de ajudar a reciclar os ribossomos. Os ribossomos nestas células comportavam-se como se a proteína auxiliar estivesse ausente por completo, reiniciando com muita frequência. Isto provou que este laço específico é essencial para a função da proteína.

Surpreendentemente, quando os pesquisadores removeram toda a estrutura do laço da proteína, o resultado foi diferente. Em vez de a proteína falhar completamente, as células de levedura ainda eram capazes de reciclar os ribossomos razoavelmente bem. Isto sugeriu que outra proteína na célula, provavelmente a proteína iniciadora eIF1, poderia intervir e assumir o trabalho quando a principal proteína auxiliar perdia o seu laço. Para testar esta ideia, a equipe criou uma proteína híbrida. Eles pegaram na parte frontal da proteína auxiliar Tma22p e anexaram o laço da proteína iniciadora eIF1 a ela. Quando colocaram esta proteína híbrida em células que careciam da Tma22p natural, ela restaurou parcialmente a capacidade de reciclar os ribossomos. Isto confirmou que a proteína iniciadora e a proteína auxiliar de reciclagem podem trocar partes e ainda assim funcionar, sugerindo que evoluíram de um ancestral comum para realizar tarefas diferentes, mas relacionadas.

As descobertas esclarecem um debate de longa data sobre como estas proteínas funcionam em diferentes organismos. Na levedura, o par Tma20p e Tma22p atua principalmente para impedir que os ribossomos reiniciem, garantindo que deixem a mensagem para ser reutilizada noutro lugar. Em humanos, proteínas semelhantes têm sido consideradas ajudantes para fazer os ribossomos reiniciarem, mas este estudo sugere que o mecanismo fundamental de usar uma forma estrutural partilhada para gerir o movimento do ribossomo é conservado. A investigação destaca que o laço carregado na proteína Tma22p é o interruptor crítico para o seu trabalho. Sem ele, o processo de reciclagem entra em colapso, levando a erros na produção de proteínas. Esta percepção ajuda a explicar como as células mantêm a ordem durante a síntese de proteínas e fornece uma imagem mais clara de como mutações genéticas nestas regiões podem levar a doenças, uma vez que proteínas semelhantes em humanos estão ligadas a distúrbios neurológicos. O trabalho demonstra que, embora a evolução tenha criado ferramentas especializadas para diferentes etapas do processo, elas ainda compartilham um modelo comum que pode ser trocado e adaptado sob as condições certas.