Descobertas sobre o problema da replicação final indicam que tanto a telomerase como o complexo CST-Polα-primase são essenciais para a proteção dos cromossomos, sugerindo uma revisão na ciência dos telômeros e potenciais impactos nas doenças genéticas. Crédito: SciTechDaily.com
Pesquisas recentes desafiam a compreensão de longa data do problema da replicação final em ADNrevelando duas questões distintas em vez de uma.
Há meio século, os cientistas Jim Watson e Alexey Olovnikov perceberam de forma independente que havia um problema na forma como o nosso ADN é copiado. Uma peculiaridade da replicação linear do DNA determinou que os telômeros que protegem as extremidades dos cromossomos deveriam ter ficado mais curtos a cada rodada de replicação, um fenômeno conhecido como problema da replicação final.
Telomerase: surge uma solução
Mas surgiu uma solução: Liz Blackburn e Carol Greider descobriram a telomerase, uma enzima que adiciona repetições teloméricas às extremidades dos cromossomas. “Caso encerrado, todos pensavam”, diz Titia de Lange, de Rockefeller.
Agora, uma nova pesquisa publicada em Natureza sugere que existem dois problemas de replicação final, não um. Além disso, a telomerase é apenas parte da solução – as células também utilizam o complexo CST – Polα-primase, que foi extensivamente estudado no laboratório de de Lange. “Durante muitas décadas pensámos que sabíamos qual era o problema da replicação final e como era resolvido pela telomerase”, diz de Lange. “Acontece que perdemos metade do problema.”
CST – Polα/primase, a enzima que resolve o recém-descoberto problema de replicação final. Crédito: Sarah Cai
O problema da vertente principal
Desde a descrição da dupla hélice do DNA, sabe-se que o DNA possui duas fitas complementares que correm em direções opostas – uma de 5’ a 3’; o outro de 3′ a 5′. Quando o DNA é replicado, as duas fitas são separadas pela maquinaria de replicação, também chamada de replissoma. O replissoma copia a fita 3′ para 5′ sem interrupção, um processo conhecido como síntese da fita principal. Mas a outra cadeia é sintetizada em pequenos passos para trás a partir de muitos fragmentos (fragmentos de Okazaki) que são posteriormente costurados.
O processo é bastante direto até as extremidades dos cromossomos. Ao copiar o telômero, a replicação da fita principal do DNA deve copiar as repetições CCCTAA para gerar a fita repetida TTAGGG, enquanto a síntese da fita retardada deve fazer o oposto, produzindo novas repetições CCCTAA. O problema da replicação final surge porque a síntese da fita principal falha em reproduzir a última parte do telômero, deixando um telômero rombudo na extremidade inicial sem sua saliência 3′ característica e crucial. A telomerase resolve esse problema adicionando repetições TTAGGG de fita simples à extremidade do telômero. Quanto à cadeia retardada, a síntese de DNA não deverá apresentar problemas. Poderia iniciar o último fragmento de Okazaki em algum lugar ao longo da saliência de 3′.
“A maquinaria de replicação do DNA não pode duplicar totalmente o final de um DNA linear, da mesma forma que você não pode pintar o chão sob os pés”, diz Hiro Takai, cientista sênior do laboratório de Lange e principal autor do artigo. .
CST – Polα/primase, a enzima que resolve o recém-descoberto problema de replicação final. Crédito: Sarah Cai
O problema da cadeia atrasada
No que diz respeito às descrições dos processos biológicos, este modelo parecia estanque. Até que Takai fez uma descoberta surpreendente enquanto trabalhava em células que não possuíam maquinaria molecular, chamada complexo CST – Polα-primase. Ele e outros já haviam demonstrado que CST – Polα-primase pode reabastecer repetições CCCTAA em telômeros que foram atacados por enzimas degradadoras de DNA conhecidas como nucleases. Estes novos dados revelaram algo inesperado: não só a cadeia principal precisava de ajuda – ele encontrou evidências de que o final da cadeia atrasada também não poderia ser sintetizado pelo replissoma.
O trabalho de Takai sugeriu que o problema da replicação final era duas vezes mais sério do que se pensava anteriormente, impactando ambas as cadeias de DNA. “Os resultados simplesmente não se enquadravam no modelo de replicação dos telômeros”, diz de Lange. “Nesse ponto, Hiro e eu percebemos que ou seus resultados não estavam certos ou o modelo estava errado. Como seus resultados me pareceram muito sólidos, precisávamos revisitar o modelo.”
De Lange contatou Joseph TP Yeeles, um bioquímico que estuda a replicação do DNA no Laboratório de Biologia Molecular de Cambridge (o mesmo laboratório onde Watson e Crick trabalharam na estrutura da dupla hélice do DNA). Yeeles concordou que seria bom observar de perto como o replissoma se comporta no final de um modelo linear de DNA. O replisome poderia usar uma saliência de 3′ para fazer o último fragmento de Okazaki, como foi proposto?
Os resultados dos experimentos de replicação in vitro de Yeeles foram muito claros. O replissoma não gera fragmentos de Okazaki na saliência 3′; na verdade, ele interrompe a síntese da fita atrasada muito antes da fita principal atingir a extremidade 5′. Este segundo problema de replicação final significa que ambas as cadeias de DNA encurtarão a cada divisão. A telomerase estava apenas impedindo que isso acontecesse na fita principal e os dados de Hiro sugeriram que a CST – Polα-primase corrigiu o segundo problema de replicação final, o da fita atrasada.
Takai passou os quatro anos seguintes projetando novos ensaios para confirmar as descobertas de Yeeles in vivo. Ele foi capaz de medir quanto DNA é perdido devido ao problema de replicação final da fita atrasada, revelando quantas repetições CCCAAT precisam ser adicionadas pelo CST – Polα-primase para manter os telômeros intactos.
Implicações e direções futuras
Os resultados mudam a nossa compreensão da biologia dos telômeros – exigindo revisão dos livros didáticos. Mas as descobertas também podem ter implicações clínicas. Indivíduos que herdam mutações em CST – Polα-primase sofrem de distúrbios dos telômeros, como a síndrome de Coats plus, que é caracterizada por um distúrbio ocular e anormalidades no cérebro, nos ossos e no trato gastrointestinal. Através de uma melhor compreensão de como mantemos os nossos telómeros, um dia poderão ser feitos progressos na abordagem destas doenças devastadoras.
Referência: “Estrutura Cryo-EM do complexo humano CST – Polα/primase em um estado de recrutamento” por Sarah W. Cai, John C. Zinder, Vladimir Svetlov, Martin W. Bush, Evgeny Nudler, Thomas Walz e Titia de Lange, 16 de maio de 2022, Biologia Estrutural e Molecular da Natureza.
DOI: 10.1038/s41594-022-00766-y
