Novas imagens da enzima sirt6 sirtuína – que regula o envelhecimento e outros processos metabólicos – ajudam a explicar como ela é capaz de acessar o material genético dentro da célula. Este mapa de microscopia crioeletrônica mostra a enzima em complexo com o nucleossomo, um complexo compactado de DNA e proteínas chamadas histonas. Crédito: Song Tan Lab, Penn State

Novas pesquisas fornecem informações sobre como uma enzima que ajuda a regular o envelhecimento e outros processos metabólicos acessa nosso material genético para modular a expressão gênica dentro da célula. Uma equipe liderada por pesquisadores da Penn State produziu imagens de uma enzima sirtuína ligada a um nucleossomo – um complexo compacto de DNA e proteínas chamado histonas – mostrando como a enzima navega pelo complexo do nucleossomo para acessar o DNA e as proteínas histonas e esclarecendo como ele funciona em humanos e outros animais.

Um artigo descrevendo os resultados foi publicado em 14 de abril na revista Science Advances .

As sirtuínas são um tipo de enzima encontrada em organismos que variam de bactérias a humanos, que desempenham papéis importantes no envelhecimento, detectando danos ao DNA e suprimindo tumores em vários tipos de câncer. Devido a essas funções variadas, as empresas farmacêuticas estão explorando seu potencial para aplicações biomédicas. Muito esforço tem se concentrado na capacidade de algumas sirtuínas de diminuir a expressão gênica removendo um sinalizador químico das proteínas histonas .

"Em nossas células, o DNA não está nu como o vemos nos livros didáticos; ele está enrolado em proteínas chamadas histonas dentro de um grande complexo chamado nucleossomo " , disse Song Tan, Verne M. Willaman Professor de Biologia Molecular na Penn State e autor do papel. "Esta embalagem também pode contribuir com sinais para ativar ou desativar genes: adicionar um sinalizador químico 'acetil' ao material de embalagem da histona ativa um gene, enquanto a remoção do sinalizador acetil desliga o gene. As sirtuínas podem silenciar a atividade do gene removendo o sinalizador de acetil de histonas empacotadas em nucleossomos. Compreender como as sirtuínas interagem com o nucleossomo para remover este sinalizador pode informar futuros esforços de descoberta de drogas."

Estudos anteriores se concentraram em como as sirtuínas interagem com segmentos curtos de histonas isoladamente, em parte porque esses peptídeos de "cauda" de histonas são muito mais fáceis de trabalhar no laboratório. Segundo Tan, o nucleossomo é cem vezes maior do que os típicos peptídeos de histona usados ??nesses estudos e, consequentemente, muito mais complicado de trabalhar.

"Visualizamos uma enzima sirtuína chamada SIRT6 em seu substrato fisiologicamente relevante - todo o nucleossomo", disse Jean-Paul Armache, professor assistente de bioquímica e biologia molecular na Penn State e autor do artigo. “E descobrimos que o SIRT6 interage com várias partes do nucleossomo, não apenas com a histona onde o sinalizador de acetil deve ser modificado”.

Usando um poderoso tipo de imagem chamado microscopia crioeletrônica com instrumentos no Penn State Cryo-Electron Microscopy Facility, no National Cancer Institute e no Pacific Northwest Cryo-EM Center, os pesquisadores identificaram como o SIRT6 se posiciona no nucleossomo para remover um grupo acetil da posição K9 na histona chamado H3. O acompanhamento de experimentos bioquímicos - em colaboração com o laboratório de Craig Peterson na Chan Medical School da Universidade de Massachusetts - ajudou a confirmar seus resultados.

Os pesquisadores descobriram que o SIRT6 se liga ao nucleossomo usando um tipo de conexão chamada “âncora de arginina”. Esse tipo de ligação – descrito pelo laboratório de Tan em 2014 – é usado por uma variedade de proteínas que têm como alvo uma mancha particularmente ácida na superfície do nucleossomo. Nesse caso, uma característica estrutural do SIRT6 chamada de loop estendido se aninha em um buraco no trecho ácido, algo como um cano em uma vala.

"A âncora de arginina é um paradigma comum para quantas proteínas da cromatina interagem com o nucleossomo", disse Tan. "Quando mudamos a âncora de arginina do SIRT6, a atividade na posição K9 foi severamente afetada, apoiando um papel crítico para a âncora de arginina do SIRT6. Surpreendentemente, essa mutação também afetou a atividade enzimática do SIRT6 em uma posição diferente, K56, localizada muito mais longe. "

Em vez da ligação de SIRT6 ao nucleossomo de duas maneiras diferentes para acessar as duas posições de histonas diferentes, é possível que SIRT6 se ligue para acessar K9 de uma maneira que também possa fornecer acesso a K56.

"SIRT6 se liga a um nucleossomo parcialmente desembrulhado, com DNA deslocado do final do nucleossomo", disse Armache. "Isso expõe a posição do K56, e é possível que o SIRT6 possa essencialmente se inclinar para alcançar essa posição. Gostaríamos de validar essa hipótese no futuro. Também esperamos explorar como o SIRT6 funciona junto com outras enzimas e entender melhor seu papel na resposta a danos no DNA."