Proteínas acidentalmente lassos, ajudando a explicar o comportamento incomum de redobragem

As proteínas são moléculas longas que devem se dobrar em estruturas tridimensionais complexas para desempenhar suas funções celulares. Ocasionalmente, esse processo de dobragem dá errado, resultando em proteínas mal dobradas que, se não forem corrigidas, podem potencialmente levar à doença. Agora, um novo estudo descreveu um mecanismo potencial que poderia ajudar a explicar por que algumas proteínas recuaram em um padrão diferente do esperado.

Os pesquisadores, liderados por químicos da Penn State, descobriram que um tipo de desdobramento, no qual as proteínas entrelaçam incorretamente seus segmentos, podem ocorrer e criar uma barreira ao processo de dobragem regular. A correção dessa dobra requer um desdobramento de alta energia ou extenso, o que diminui o processo de dobramento, levando ao padrão inesperado observado pela primeira vez nos anos 90.

“As proteínas mal dobradas podem mau funcionar e levar a doenças”, disse Ed O’Brien, professor de química no Eberly Faculty of Science, co-contratante do Instituto de Ciências Computacionais e de Dados da Penn State e líder da equipe de pesquisa. “Portanto, entender os mecanismos envolvidos no processo de dobragem pode potencialmente ajudar os pesquisadores a prevenir ou desenvolver tratamentos para doenças causadas por desdobramento”.

Um artigo que descreve a pesquisa, que usou uma combinação de simulações de computador e experimentos de redobragem para descrever a cinética dobrável de uma proteína chamada fosfoglicerado quinase (PGK), apareceu hoje (14 de março) no diário Avanços científicos.

“Para a maioria das proteínas, modelamos o processo de dobragem como se houvesse dois estados, dobrados ou desdobrados”, disse Yang Jiang, professor assistente de pesquisa de química no Eberly Faculty of Science da Penn State e o primeiro autor do artigo.

“Quando rastreamos a progressão de uma proteína de desdobrada a dobrada, vemos um padrão característico dependente do tempo que chamamos de cinética dobrável da proteína. Normalmente, a proporção de proteínas desdobradas diminui exponencialmente até essencialmente todos os proteínas serem dobrados, mas algumas proteínas não se encaixam nesse padrão, e nós estávamos interessados ​​nos mecanismos que podem explicar isso.

O padrão de dobragem incomum de PGK foi observado pela primeira vez experimentalmente há mais de 25 anos. Enquanto a maioria das proteínas se encaixa no modelo de “dois estados” da cinética de dobragem exponencial, as moléculas de PGK seguiram um padrão diferente para atingir um estado totalmente dobrado. Esse novo padrão foi descrito como “cinética de recuperação exponencial estendida”, mas o mecanismo estrutural que explicava essa diferença permaneceu um mistério-até agora.

A equipe de pesquisa levantou a hipótese de que uma classe de desdobramento recentemente descrita pode ser responsável pelo desvio do PGK do modelo tradicional de dobragem de dois estados.

“O emaranhamento não covalente do lasso é uma classe de desdobramento, identificamos recentemente onde um loop da proteína prende outro segmento da proteína, se entrelaçando essencialmente incorretamente”, disse O’Brien. “Se uma proteína como o PGK é mais propensa a esse tipo de desdobramento, isso pode ajudar a explicar por que vemos a cinética de recuperação exponencial estendida”.

Para testar essa hipótese, a equipe de pesquisa primeiro construiu um modelo de computador para simular o processo de dobragem do PGK. Suas simulações recapitularam a cinética exponencial esticada observada nos experimentos anteriores. Eles então exploraram os estágios intermediários do processo de dobragem em suas simulações para ver se houve mudanças estruturais que poderiam explicar a redobragem esticada.

“Encontramos vários exemplos de desdobramento envolvendo emaranhados”, disse Jiang. “Às vezes, um novo emaranhado se formou e, às vezes, um emaranhado que fazia parte da estrutura nativa da proteína não se formou. Em nossas simulações, poderíamos remover esses eventos de desdobramento e vimos que a proteína dobrou com o padrão exponencial de dois estados típico”.

Para confirmar os resultados de sua simulação, a equipe de pesquisa, que incluiu os membros do experimentalista Stephen Fried e do laboratório na Universidade Johns Hopkins, examinou a variação estrutural do PGK após a recuperação de experimentos. Eles descobriram que os estados mal dobrados previstos nas simulações eram consistentes com os sinais estruturais observados experimentalmente na proteína redoldada. Eles também descobriram que esses estados mal dobrados duravam há muito tempo, sugerindo que são um componente essential da cinética de dobragem exponencial observada.

“Devido à natureza desse tipo de desdobramento, a proteína fica presa”, disse Jiang. “A proteína deve voltar ao processo de dobramento para corrigir o erro, que leva tempo e é energeticamente caro. A demonstração desse mecanismo ajuda a expandir nossa compreensão de como as proteínas são dobradas e fornecem um exemplo de como pode dar errado. Esta é uma pesquisa básica, mas pode eventualmente informar como desenvolvemos terapêuticos para doenças ligadas à indoldação de proteínas” “”

Além de Jiang, O’Brien e Fried, a equipe de pesquisa inclui o estudante de pós-graduação Ian Sitarik e o professor assistente de estatística Hyebin Track na Penn State e co-primeiro autor Yingzi Xia e Piyoosh Sharma na Universidade Johns Hopkins.