Os cientistas de Berkeley daUC descobriram o efeito extremamente subtil que o medicamento taxol tem dentro das células, o que o torna um dos agentes anticancerígenos mais utilizados no mundo.
Os detalhes, envolvendo a interferência da droga na função normal das microtubulas, parte do esqueleto da célula, poderiam ajudar na concepção de melhores medicamentos anticancerígenos, ou na melhoria do Taxol e outros medicamentos já conhecidos por perturbar o funcionamento das microtubulas.
Os resultados estão a ser relatados na edição de 22 de Maio da revista Cell.
“Os esforços para compreender melhor estas quimioterapias são muito importantes, porque existem algumas diferenças entre as células cancerígenas e as células normais que talvez possamos explorar”, disse a autora principal Eva Nogales, uma biofísica, professora de biologia molecular e celular da UC Berkeley e cientista sénior do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL). “Ainda não chegámos lá, mas este é o tipo de análise de que precisamos para lá chegar”
Taxol, originalmente extraído da casca do teixo do Pacífico, é uma das drogas mais usadas contra tumores sólidos, e é uma droga da linha da frente no tratamento do cancro da mama ovariano e avançado. O fármaco é conhecido por se ligar a microtúbulos e essencialmente congelá-los no local, o que os impede de separar os cromossomas quando uma célula se divide. Isto mata as células que dividem, em particular as células cancerosas, que são conhecidas pela rápida proliferação.
Nogales, uma investigadora do Instituto Médico Howard Hughes, tem trabalhado em microtubos desde que foi estudante de doutoramento em Inglaterra no início dos anos 90, utilizando técnicas como a dispersão de raios X e a microscopia crioelectrónica para estudar como o Taxol e outros agentes anticancerígenos afectam os microtubos. Mais tarde, durante o seu trabalho de pós-doutoramento no LBNL com Ken Downing, ela foi a primeira a descobrir exactamente onde o Taxol liga o bloco básico de construção, chamado tubulina, do polímero microtubular.
p>Microtubos são o esqueleto da célula
O trabalho de muitos cientistas em todo o mundo mostrou que a rede de microtubos dentro das células, chamada de citoesqueleto, é muito diferente dos esqueletos rígidos dos animais. Os microtubos são filamentos de polímeros que crescem e encolhem constantemente, e ao fazê-lo empurram e puxam coisas à volta da célula, incluindo os cromossomas. Os cientistas chamam a isto instabilidade dinâmica. As microtubulas também fornecem uma auto-estrada para o transporte das organelas da célula e outras embalagens à volta da célula.
Tubulina, a unidade estrutural básica do microtubo, é um complexo de duas proteínas – a alfa e a beta tubulina. As unidades de tubulina empilham uma em cima da outra para formar tiras que se alinham com outras tiras e depois fecham para formar um tubo oco, o microtubo.
“Tubulina, a proteína citoesquelética que se auto-monta em microtúbulos, é absolutamente essencial para a vida de cada célula eucariótica, razão pela qual se tornou um alvo principal de agentes anticancerígenos”, disse Nogales. “É espantoso como os microtubos sondam e experimentam coisas novas quase ao acaso, mas existe um nível de controlo incorporado na célula que acaba por dar sentido a este caos, e a célula sobrevive e prospera”
p>Microtubules crescem da sua extremidade livre a cerca de 1 mícron por minuto adicionando continuamente mais tubulina (cerca de 20 moléculas de tubulina por segundo). Mas se pararem de crescer, desprendem-se rapidamente como a pele de uma banana, libertando a tubulina para reciclagem noutras microtubulas. Este descasque, ou despolimerização, ocorre até 15 microns por minuto, ou cerca de 300 moléculas de tubulina a cair por segundo, disse Nogales.p>Microtubules são como molas comprimidas
Nogales descobriu agora porque é que os microtubules se descolam tão rapidamente. Quando se montam, as tiras de tubulina são colocadas sob uma tensão intensa, mas impedidas de se dobrarem e de se separarem pela tampa crescente de tubulina na extremidade. Uma vez que o crescimento pára e essa tampa desaparece, a tensão contida rasga o microtubo.
A tensão é criada quando o complexo tubulínico, que tem uma pequena molécula de energia chamada GTP (trifosfato de guanosina) ligada, se torna hidrolisada e o GTP transforma-se em GDP (difosfato de guanosina). Esta reacção química compacta as subunidades alfa e beta, tal como as vértebras compactadas, mantendo a pilha de tubulina sob tensão enquanto o microtubo estiver a crescer no seu fim.
“Tinha sido proposto que a tubulina tinha de ser limitada, mas ninguém a tinha provado”, disse Nogales. “O que temos visto é que à medida que a hidrólise de GTP acontece, a estrutura da tubulina fica presa num estado de tensão, como uma mola comprimida. As subunidades finais estão a manter tudo junto”
Quando o crescimento pára, a tensão é libertada, e as tiras desprendem-se rapidamente.
fecho da subunidade de tubulina que compõe a rede de microtubos da célula (verde). O núcleo é azul.
“Este trabalho representa um grande passo em frente num problema com uma longa história”, escreveu Tim Mitchison num comentário no mesmo número da Cell. Mitchison, um professor de biologia de sistemas da Universidade de Harvard, foi o primeiro a mostrar a importância da hidrólise de GTP em microtubos desestabilizadores. O modelo proposto por Nogales e a sua equipa, acrescentou, “proporciona o nosso primeiro vislumbre do (mecanismo de) desestabilização”
Nogales descobriu também que o Taxol se insere na proteína tubulínica e impede a compactação das subunidades alfa e beta, para que não se acumule tensão. Como resultado, mesmo que o microtubo pare de crescer, permanece intacto, basicamente congelado no local, incapaz de se descolar, ou de despolimerizar, e de desempenhar a sua função normal.
“Taxol inverte os efeitos da hidrólise de GTP”, disse ela.
P>Pushing the limits of cryoelecton microscopy
Nogales e a sua equipa descobriram estas alterações estruturais, empurrando os limites da microscopia crioelectrónica, uma técnica em que as amostras são congeladas e sondadas com um feixe de electrões de alta potência. Conseguiram agora uma resolução suficiente para ver detalhes com menos de 5 angstroms (um décimo de um nanómetro) de diâmetro, que é aproximadamente do tamanho de cinco átomos de hidrogénio. Enquanto a maioria das informações até à data sobre a estrutura da tubulina no interior do microtubulo provém do estudo de folhas planas artificiais de tiras de tubulina alinhadas, Nogales foi capaz de sondar microtubos tridimensionais congelados no seu estado natural, com e sem Taxol ligado à tubulina. Esta comparação mostrou claramente o efeito do Taxol na estrutura dos microtubos.
Outros co-autores do trabalho são o antigo aluno de biofísica da UC Berkeley Gregory M. Alushin, agora do National Heart Lung and Blood Institute em Bethesda, Md.; o antigo postdoc LBNL Gabriel C. Lander, agora do The Scripps Research Institute em La Jolla, Califórnia.; Elizabeth H. Kellogg da UC Berkeley; Rui Zhang da LBNL e David Baker da Universidade de Washington, Seattle.
p>A investigação é financiada pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais dos Institutos Nacionais de Saúde (GM051487), pela Fundação Damon Runyon de Investigação do Cancro e pelo Instituto Médico Howard Hughes.