Para além da tesoura genética: descoberto novo mecanismo CRISPR

As bactérias possuem uma grande variedade de mecanismos para se defenderem de invasores como os vírus. Uma dessas estratégias envolve a clivagem dos ácidos ribonucleicos de transferência (ARNt), que estão presentes em todas as células e desempenham um papel fundamental na tradução do ARN mensageiro (ARNm) em proteínas essenciais. A sua inativação limita a produção de proteínas, fazendo com que a célula infetada entre em estado de dormência. Como resultado, o agressor não pode continuar a replicar-se e a espalhar-se na população bacteriana.

Uma defesa bacteriana comum que até agora não foi associada à clivagem do ARNt são os sistemas CRISPR-Cas. O CRISPR utiliza proteínas guiadas por RNA, conhecidas como nucleases Cas (de CRISPR-associated), para reconhecer invasores com base no seu material genético e desactivá-los. Assim que identificam um agente patogénico, as nucleases desencadeiam uma resposta imunitária única para cada sistema. Esta resposta inclui, por exemplo, a clivagem do ADN estranho ou a interrupção do crescimento através da degradação generalizada do ARN e do ADN. Estes mecanismos já foram utilizados pela humanidade de muitas formas, e o CRISPR foi reconhecido como uma base importante para as tecnologias de edição de genomas. No entanto, não se sabia até agora que o CRISPR-Cas também tem como alvo preferencial os tRNAs como parte de uma resposta imunitária.

Uma descoberta inesperada

Investigadores do Instituto Helmholtz para a Investigação de Infecções Baseadas em RNA (HIRI), uma unidade do Centro Helmholtz de Braunschweig para a Investigação de Infecções (HZI), em cooperação com a Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), colaboraram com cientistas do HZI e da Universidade do Estado do Utah (USU) para descobrir um novo mecanismo CRISPR que tem como alvo os tRNAs. "Estas descobertas foram completamente inesperadas", diz Chase Beisel, chefe de departamento afiliado do HIRI e autor correspondente do estudo, que foi publicado hoje na revista Nature. "A nossa equipa estava a trabalhar em proteínas associadas a uma nuclease única chamada Cas12a2", acrescenta Beisel.

Em dois estudos publicados na revista Nature em janeiro de 2023, as equipas que incluíam Chase Beisel descreveram como tinham encontrado a Cas12a2 numa família de nucleases que clivam exclusivamente o ADN. Em contraste, Cas12a2 foi capaz de clivar amplamente tanto o RNA quanto o DNA. "Levantámos a hipótese de que esta família de proteínas poderia conter outras funções especiais. E tínhamos razão: encontrámos a Cas12a3 com as suas propriedades únicas", acrescenta Oleg Dmytrenko, antigo pós-doutorado no laboratório de Beisel e primeiro autor do estudo recentemente publicado na Nature.

O oposto polar

Tal como a Cas12a2, a Cas12a3 também utiliza um guia de ARN para reconhecer sequências de ARN estranhas. No entanto, uma correspondência faz com que a Cas12a3 mude a sua forma, depois liga-se e cliva uma região específica do ARNt, nomeadamente a sua cauda. "Esta precisão faz da Cas12a3 o oposto polar do seu parente mais próximo, a Cas12a2, que corta de forma não específica mas abrangente", diz Ryan Jackson, professor da USU e também autor correspondente do estudo.

A chamada cauda 3' é a parte mais conservada de todos os tRNAs. Isto significa que se manteve igual em muitos organismos. Esta região é crucial para a função e estabilidade do ARNt e, por isso, praticamente não sofreu alterações evolutivas. Um aminoácido ativado, o principal bloco de construção das proteínas, está ligado a esta região. Durante a tradução das proteínas, os aminoácidos são transferidos do ARNt para a cadeia polipeptídica em crescimento. Por conseguinte, a remoção da cauda do ARNt é uma forma eficaz de bloquear a produção de proteínas, um processo que é vital para a célula.

A estrutura da Cas12a3, que a equipa conseguiu descobrir utilizando microscopia crioelectrónica no HZI, revela como a nuclease reconhece os ARNt: "Conseguimos identificar uma parte única que designámos por 'domínio de carregamento de ARNt'", explica Dirk Heinz, chefe de departamento no HZI e coautor correspondente. "A sua tarefa é posicionar com precisão a cauda de ARNt-3 no local certo para a clivagem", acrescenta Biao Yuan, pós-doutorado no laboratório de Heinz e também primeiro autor do artigo.

Os investigadores conseguiram explorar diretamente esta elevada precisão: combinaram a Cas12a3 com duas outras nucleases que também clivam com precisão, mas que se concentram noutros ARNs distintos. Desta forma, a equipa conseguiu detetar simultaneamente ARN de três vírus diferentes - o vírus da gripe, o vírus sincicial respiratório (RSV) e o SARS-CoV-2. "Isto não só nos permitiu alargar os limites do diagnóstico baseado em CRISPR. Os resultados da nossa investigação poderão também abrir caminho a testes no local de prestação de cuidados de saúde, económicos e fáceis de realizar, para uma vasta gama de doenças", afirma Beisel.

Uma diversidade escondida

A clivagem das caudas de ARNt representa uma nova resposta imunitária CRISPR e demonstra as diversas formas como as bactérias podem combater as infecções. O trabalho lança assim luz sobre a enorme diversidade funcional que está escondida nos mecanismos de defesa bacterianos já conhecidos e que precisa de ser investigada.

A equipa de investigação já planeou os próximos passos: "Na esperança de descobrir mais variações, queremos explorar esta pequena secção dos mecanismos de defesa CRISPR de forma ainda mais aprofundada", diz Heinz, olhando para o futuro. "Além disso, planeamos tornar o Cas12a3 utilizável como uma tecnologia para diagnósticos moleculares e outras aplicações", conclui Jackson.