Dobrar uma camisa com braços de 3,5 metros: compreender o enovelamento de proteínas na doença de Huntington

Imagine uma fábrica de roupa movimentada. As proteínas são como camisas recém-cosidas a sair das máquinas. São moles, enrugadas e podem criar uma confusão gigante se forem deixadas por dobrar. Normalmente, a fábrica de roupa celular emprega “proteínas chaperonas” que atuam como passadores especializados. Pegam em cada camisa, aplicam energia de um ferro quente e dobram-na cuidadosamente no formato certo para que tudo fique arrumado e organizado.

Mas a doença de Huntington (DH) cria roupas com formas anormais que podem desorientar os dobradores chaperones. Quando isso acontece, as proteínas, como camisas irregulares, tendem a ser dobradas incorretamente, ficam emaranhadas e criam uma enorme confusão. Num novo trabalho publicado na Nature Communications, uma equipa de investigadores investigou como poderiam melhorar o processo de enovelamento de proteínas na DH, projetando dobradores chaperones adicionais. Então, o que descobriram e o que significa isto para a DH?

Dobrar uma camisa com braços de 3,5 metros

A DH é causada por um trecho expandido de letras genéticas no gene da huntingtina que produz uma proteína extra longa, chamada huntingtina expandida. Essa proteína extra longa cria agregados nocivos que se formam dentro das células. Se a célula for uma fábrica de roupa movimentada, a huntingtina expandida é como uma camisa com braços de 3,5 metros – difícil de dobrar e armazenar adequadamente, causando uma grande confusão.

Normalmente, existem proteínas auxiliares, chamadas “chaperones”, que trabalham em toda a célula para garantir que outras proteínas se dobrem corretamente e evitar que se aglomerem. No entanto, em doenças como a DH, este sistema chaperone pode ficar sobrecarregado. Há simplesmente demasiada huntingtina expandida para que consigam acompanhar.

PEX19: máquina de dobrar a solo

As chaperones precisam de um fornecimento constante de energia sob a forma de uma molécula chamada ATP e de uma equipa de outras proteínas auxiliares para fazerem o seu trabalho corretamente. Uma vez que dependem deste sistema de suporte, torna as chaperones complicadas de transformar em medicamentos – requerem demasiada energia e trabalho de equipa. É como tentar usar uma fábrica inteira em vez de apenas uma máquina para fazer um trabalho. Este estudo centra-se num tipo específico de chaperone chamado PEX19, que é único porque funciona sem a necessidade de energia (ATP) ou de qualquer proteína auxiliar.

A PEX19 normalmente ajuda certas proteínas a chegar a uma parte da célula chamada peroxissoma. Os peroxissomas são pequenas fábricas de reciclagem e desintoxicação dentro das suas células, trabalhando para decompor resíduos e substâncias nocivas, como gorduras e venenos, para manter a célula saudável, convertendo-os em água e oxigénio inofensivos. Como a PEX19 funciona sozinha e não requer ATP, poderia potencialmente ser aproveitada para abordar a formação de agregados de proteínas sem a necessidade de projetar um tratamento que incorpore proteínas parceiras.

Eliminando agregados em vários modelos de DH

O principal objetivo desta investigação era encontrar uma forma de impedir a aglomeração da proteína huntingtina mutante expandida que contribui para o início dos sintomas da DH. Os investigadores pensaram que, dadas as suas características únicas, poderiam modificar a PEX19 a nível molecular para atacar e remover agregados de huntingtina nocivos. Para este fim, produziram diferentes versões modificadas da chaperone PEX19 e testaram qual a versão que impedia a formação de agregados de proteínas em diferentes organismos que modelam a DH.

Primeiro, projetaram pequenas células de levedura que produzem a proteína huntingtina. Se não forem tratadas, formam-se agregados de proteínas que deixam a levedura doente. Os investigadores adicionaram às células de levedura duas versões especialmente concebidas de PEX19 e observaram que este tratamento impedia que os agregados de huntingtina deixassem a levedura doente.

Em seguida, adicionaram estas duas versões de PEX19 a células humanas de DH cultivadas numa placa de laboratório e observaram que os agregados de proteína huntingtina se formavam muito mais lentamente. Finalmente, trataram moscas da fruta com DH com a sua versão mais eficaz de PEX19 e observaram que estas moscas doentes viviam mais tempo e conseguiam trepar melhor, uma habilidade que se deteriora em moscas com o gene da DH. Pensam que isto se deveu ao facto de os agregados pegajosos nos seus cérebros terem sido reduzidos.

Impedir a confusão antes que comece

Estas observações interessantes sugerem que uma chaperone independente de energia, a PEX19, pode ser projetada para atacar e impedir a formação de agregados de proteína huntingtina em leveduras, células humanas e cérebros de moscas da fruta. Isto sugere que as duas versões especiais de PEX19 podem ter potencial terapêutico contra a DH em humanos.

Para além destas conclusões, os investigadores identificaram o mecanismo específico pelo qual estas duas versões de PEX19 inibem os agregados de proteínas, uma perceção que é crucial para o desenvolvimento de fármacos que imitam as ações da PEX19. A equipa observou que as variações artificiais de PEX19 podem impedir a formação inicial de agregados de proteínas, mas não conseguem separar agregados que já se formaram, porque isto requer energia significativa.

É a diferença entre dobrar cuidadosamente cada camisa de mangas compridas e moles logo após ser cosida, em vez de enfrentar uma enorme e confusa montanha delas. Embora esta seja uma limitação da PEX19 projetada, o facto de a chaperone ser independente de energia e não necessitar de muitas proteínas auxiliares continua a torná-la um candidato atrativo para o desenvolvimento terapêutico.

Ajustar as dobras para um melhor ajuste

Esta investigação dá um contributo significativo ao introduzir uma nova estratégia para desenvolver terapias para a doença de Huntington e, potencialmente, outras doenças de agregação de proteínas. Demonstra a viabilidade de projetar uma chaperone independente de ATP para atacar e reduzir a aglomeração de uma proteína causadora de doenças. Esta abordagem oferece uma alternativa às chaperones tradicionais que dependem de maquinaria celular complexa e energia, o que pode limitar a sua eficácia em células doentes.

O trabalho futuro deve concentrar-se na otimização adicional das variantes de PEX19 projetadas para melhorar a sua especificidade e potência, ajustando a arquitetura da PEX19 para se ligar melhor à proteína huntingtina. Além disso, testar estas variantes em modelos de mamíferos mais complexos e, eventualmente, em ensaios clínicos seria crucial para o seu desenvolvimento como um agente terapêutico para a doença de Huntington.

Resumo

• A aglomeração de uma proteína huntingtina expandida dentro das células contribui para a doença de Huntington (DH).
• As chaperones de proteínas tradicionais que poderiam impedir a formação de agregados de proteínas requerem energia significativa (ATP) e proteínas auxiliares, tornando-as inadequadas como tratamentos simples.
• Este estudo analisou muitas versões diferentes de PEX19, uma chaperone única que funciona de forma independente e não utiliza ATP, pela sua capacidade de inibir a formação de agregados de proteína huntingtina em células humanas e animais.
• A equipa de investigação identificou duas versões projetadas de PEX19 capazes de impedir agregados de proteína huntingtina em leveduras, células humanas e moscas da fruta.
• As variantes de PEX19 projetadas podem impedir novos agregados, mas são incapazes de decompor os existentes.
• Os resultados oferecem uma abordagem simplificada para potenciais terapias para a DH e podem inspirar futuras investigações na otimização destas variantes e no seu teste em modelos de mamíferos e ensaios clínicos.

Saiba maisArtigo de investigação original, “Engenharia de uma chaperone de proteína de membrana para melhorar a proteotoxicidade da huntingtina mutante” (acesso aberto).