Proteínas alternativas do mesmo gene podem contribuir de forma diferente para a saúde e as doenças raras

Cerca de 25 milhões de americanos têm uma doença genética rara, e muitos deles lutam não só com a falta de tratamentos eficazes, mas também com a falta de boa informação sobre a sua doença. Os médicos podem não saber o que causa os sintomas de um paciente, como a doença irá progredir ou até mesmo não ter um diagnóstico claro. Os investigadores procuraram respostas no genoma humano e foram identificadas muitas mutações genéticas causadoras de doenças, mas cerca de 70% dos pacientes ainda carecem de uma explicação genética clara.

Em um papel publicado em Célula MolecularIain Cheeseman, membro do Instituto Whitehead, o estudante de pós-graduação Jimmy Ly e colegas propõem que pesquisadores e médicos possam obter mais informações dos genomas dos pacientes, observando-os de uma maneira diferente.

A sabedoria comum é que cada gene codifica uma proteína. Alguém que estuda se um paciente tem uma mutação ou versão de um gene que contribui para a sua doença irá, portanto, procurar mutações que afetem o produto proteico “conhecido” desse gene.

No entanto, Cheeseman e outros estão descobrindo que a maioria dos genes codifica mais de uma proteína. Isto significa que uma mutação que pode parecer insignificante porque não parece afectar a proteína conhecida pode, no entanto, alterar uma proteína diferente produzida pelo mesmo gene. Agora, Cheeseman e Ly demonstraram que as mutações que afectam uma ou múltiplas proteínas do mesmo gene podem contribuir de forma diferente para a doença.

No seu artigo, os investigadores partilham primeiro o que aprenderam sobre como as células utilizam a capacidade de gerar diferentes versões de proteínas a partir do mesmo gene. Em seguida, eles examinam como as mutações que afetam essas proteínas contribuem para doenças. Através de uma colaboração com o coautor Mark Fleming, patologista-chefe do Hospital Infantil de Boston, eles fornecem dois estudos de caso de pacientes com apresentações atípicas de uma anemia rara ligada a mutações que afetam seletivamente apenas uma das duas proteínas produzidas pelo gene implicado na doença.

“Esperamos que este trabalho demonstre a importância de considerar se um gene de interesse produz múltiplas versões de uma proteína e qual é o papel de cada versão na saúde e na doença”, diz Ly. “Essa informação poderia levar a uma melhor compreensão da biologia das doenças, a melhores diagnósticos e talvez um dia a terapias personalizadas para tratar essas doenças”.

Repensando como as células usam genes

As células têm várias maneiras de produzir diferentes versões de uma proteína, mas a variação que Cheeseman e Ly estudam acontece durante a produção de proteínas a partir do código genético. As máquinas celulares constroem cada proteína de acordo com as instruções dentro de uma sequência genética que começa em um “códon de início” e termina em um “códon de parada”.

No entanto, algumas sequências genéticas contêm mais de um códon de início, muitos deles escondidos à vista de todos. Se a maquinaria celular ignorar o primeiro códon de inicialização e detectar um segundo, poderá construir uma versão mais curta da proteína. Noutros casos, a maquinaria pode detectar uma secção que se assemelha muito a um codão de início num ponto anterior na sequência do que o seu local de início típico e construir uma versão mais longa da proteína.

Estes eventos podem parecer erros: a maquinaria da célula cria acidentalmente a versão errada da proteína correta. Pelo contrário, a produção de proteínas a partir destes locais de partida alternativos é uma característica importante da biologia celular que existe entre as espécies. Quando Ly traçou quando certos genes evoluíram para produzir múltiplas proteínas, ele descobriu que este é um processo comum e robusto que foi preservado ao longo da história evolutiva durante milhões de anos.

Ly mostra que uma das funções disso é enviar versões de uma proteína para diferentes partes da célula. Muitas proteínas contêm sequências semelhantes a códigos postais que informam ao maquinário da célula onde entregá-las para que as proteínas possam fazer seu trabalho. Ly encontrou muitos exemplos em que versões mais longas e mais curtas da mesma proteína continham códigos postais diferentes e terminavam em locais diferentes dentro da célula.

Em particular, Ly encontrou muitos casos em que uma versão de uma proteína acabou nas mitocôndrias, estruturas que fornecem energia às células, enquanto outra versão acabou noutro lugar. Devido ao papel das mitocôndrias no processo essencial de produção de energia, as mutações nos genes mitocondriais estão frequentemente implicadas em doenças.

Ly se perguntou o que aconteceria quando uma mutação causadora de doença eliminasse uma versão de uma proteína, mas deixasse a outra intacta, fazendo com que a proteína alcançasse apenas um dos dois destinos pretendidos. Ele examinou um banco de dados contendo informações genéticas de pessoas com doenças raras para ver se tais casos existiam e descobriu que sim. Na verdade, pode haver dezenas de milhares de casos assim. Porém, sem acesso à população, Ly não tinha como saber quais eram as consequências disso em termos de sintomas e gravidade da doença.

Enquanto isso, Cheeseman começou a trabalhar com o Hospital Infantil de Boston para promover colaborações entre o Instituto Whitehead e os pesquisadores e médicos do hospital para acelerar o caminho desde a descoberta da pesquisa até a aplicação clínica. Através desses esforços, Cheeseman e Ly conheceram Fleming.

Um grupo de pacientes de Fleming tem um tipo de anemia chamada SIFD – anemia sideroblástica com imunodeficiência de células B, febres periódicas e atraso no desenvolvimento – causada por mutações no gene TRNT1. TRNT1 é um dos genes que Ly identificou como produzindo uma versão mitocondrial de sua proteína e outra versão que termina em outro lugar: no núcleo.

Fleming compartilhou dados anonimizados de pacientes com Ly, e Ly encontrou dois casos de interesse nos dados genéticos. A maioria dos pacientes apresentava mutações que prejudicavam ambas as versões da proteína, mas um paciente apresentava uma mutação que eliminou apenas a versão mitocondrial da proteína, enquanto outro paciente apresentava uma mutação que eliminou apenas a versão nuclear.

Quando Ly compartilhou seus resultados, Fleming revelou que ambos os pacientes tinham apresentações muito atípicas de SIFD, apoiando a hipótese de Ly de que mutações que afetassem diferentes versões de uma proteína teriam consequências diferentes. O paciente que tinha apenas a versão mitocondrial estava anêmico, mas com desenvolvimento normal. O paciente que não possuía a versão mitocondrial da proteína não apresentava atrasos no desenvolvimento ou anemia crônica, mas apresentava outros sintomas imunológicos e só foi diagnosticado corretamente aos cinquenta anos.

Provavelmente existem outros fatores que contribuem para a apresentação exata da doença em cada paciente, mas o trabalho de Ly começa a desvendar o mistério de seus sintomas atípicos.

Cheeseman e Ly querem conscientizar mais médicos sobre a prevalência de genes que codificam mais de uma proteína, para que saibam verificar se há mutações que afetam qualquer uma das versões de proteínas que possam contribuir para a doença. Por exemplo, várias mutações no TRNT1 que eliminam apenas a versão mais curta da proteína não são sinalizadas como causadoras de doenças pelas ferramentas de avaliação atuais.

Os investigadores do laboratório Cheeseman, incluindo Ly e o estudante de pós-graduação Matteo Di Bernardo, estão agora a desenvolver uma nova ferramenta de avaliação para médicos, chamada SwissIsoform, que identificará mutações relevantes que afetam versões específicas de proteínas, incluindo mutações que de outra forma seriam perdidas.

“O trabalho de Jimmy e Iain apoiará globalmente a interpretação de variantes genéticas de doenças e ajudará a conectar as diferenças genéticas à variação nos sintomas da doença”, diz Fleming. “Na verdade, identificamos recentemente dois outros pacientes com mutações que afetam apenas as versões mitocondriais de duas outras proteínas, que apresentam sintomas mais leves do que os pacientes com mutações que afetam ambas as versões”.

A longo prazo, os investigadores esperam que as suas descobertas possam ajudar na compreensão da base molecular das doenças e no desenvolvimento de novas terapias genéticas: assim que os investigadores compreenderem o que correu mal dentro de uma célula para causar a doença, estarão mais bem equipados para conceber uma solução. Mais imediatamente, os investigadores esperam que o seu trabalho faça a diferença, fornecendo melhores informações aos médicos e às pessoas com doenças raras.

“Como pesquisador básico que normalmente não interage com pacientes, há algo muito gratificante em saber que o trabalho que você está fazendo ajuda pessoas específicas”, diz Cheeseman. “À medida que o meu laboratório transita para este novo foco, tenho ouvido muitas histórias de pessoas que tentam navegar numa doença rara e apenas obter respostas, e isso tem sido muito motivador para nós, à medida que trabalhamos para fornecer novos conhecimentos sobre a biologia da doença.”