Os cérebros envelhecidos de pessoas com Alzheimer, Parkinson e outras doenças neurodegenerativas estão repletos de agregados reveladores de proteínas dentro ou ao redor de seus neurônios. Como esses aglomerados de proteínas podem estar prejudicando os neurônios ainda não está claro, mas são marcas registradas das condições – e até agora, eles foram associados quase exclusivamente a cérebros idosos.

Mas um estudo recente por uma equipe de pesquisadores da Universidade de Stanford sugere que a agregação de proteínas pode ser um fenômeno universal em células envelhecidas e pode estar envolvida em muito mais doenças do envelhecimento do que se suspeitava. Sua descoberta aponta para uma nova maneira de pensar sobre o que dá errado nas células à medida que envelhecem e, potencialmente, para novas maneiras de evitar algumas consequências do processo de envelhecimento.

“Isso é generalizado – não é apenas um tecido específico, são muitos tecidos diferentes”, disse Della David, pesquisador sobre envelhecimento do Instituto Babraham em Cambridge, Inglaterra, que não fez parte do estudo.

A pesquisa também destaca que a agregação de proteínas está intimamente ligada a mecanismos essenciais que permitem que as células regulem suas fisiologias com delicadeza requintada. Os biólogos precisarão avaliar cuidadosamente, possivelmente caso a caso, se os agregados de proteínas representam uma ameaça às células ou uma defesa que elas criaram.

O novo trabalho, que foi postado no servidor de pré-impressão biorxiv.org em março, é a primeira tentativa de quantificar quanta agregação de proteína ocorre em todo o corpo durante o envelhecimento natural de um animal vertebrado – neste caso, um peixe de vida muito curta. . O estudo mostrou que a agregação de proteínas provavelmente contribui para a deterioração gradual de muitos tecidos ao longo do tempo. As descobertas ainda oferecem uma dica sobre por que esses agregados são muito mais óbvios no cérebro do que em outros tecidos: pode ser porque os cérebros estão evoluindo tão rapidamente.

Dan Jarosz, o biólogo de sistemas de Stanford que supervisionou os experimentos com seu colega geneticista Anne Brunet, não estava preparado para quantas proteínas agregadas no peixe envelhecido – ou para quantas vezes essas mesmas proteínas, em formas mutantes, estão ligadas a doenças degenerativas. “Isso me fez pensar se muitas outras doenças da idade que atualmente não conectamos à agregação de proteínas podem, de fato, envolvê-la”, disse ele.

Pistas de um peixe

O killifish turquesa africano vive em lagoas transitórias na África Oriental que se formam durante a estação chuvosa. À medida que o peixe se aproxima do fim de sua vida de 4 a 6 meses, ele desenvolve uma série de doenças relacionadas à idade, incluindo catarata e alterações relacionadas ao cérebro que se assemelham a distúrbios neurodegenerativos como Alzheimer em humanos. Sua curta vida útil – muito mais curta do que a de um rato de laboratório, por exemplo – e o rápido envelhecimento natural o tornam um modelo ideal para estudar o envelhecimento em vertebrados.

“O que é impressionante sobre este peixe é que não é apenas a agregação de proteínas ou insuficiência cardíaca ou disfunção cerebral que ocorrem com o envelhecimento”, disse. Dário Valenzano, biólogo evolucionista do Instituto Max Planck de Biologia do Envelhecimento e do Instituto Leibniz do Envelhecimento, ambos na Alemanha, que fez seu pós-doutorado com Brunet. “Praticamente qualquer órgão e tecido que observamos sofrerá uma transformação bastante catastrófica durante o envelhecimento.”

A equipe de Stanford realizou uma extensa análise das proteínas em killifish em vários estágios de juventude e maturidade. No killifish envelhecido, eles descobriram agregados de proteínas em todos os tecidos que examinaram: não apenas o cérebro, mas também o coração, intestino, fígado, músculo, pele e testículos. Mais da metade das proteínas de agregação pareciam mostrar uma tendência intrínseca de agregar em outros experimentos.

Mas precisamente quais proteínas agregadas diferem substancialmente de um tecido para outro. Muitas das proteínas foram expressas em níveis essencialmente equivalentes em vários tecidos, mas enquanto se agregavam em um, não se aglomeravam em outros.

"A extensão da especificidade do tecido do proteoma agregador é incrível", disse David. As razões para essas diferenças, ela e outros pesquisadores pensam, refletem como as células mantêm a qualidade de suas proteínas. As células têm um maquinário elaborado para garantir que as longas moléculas de peptídeos em forma de cadeia que compõem as proteínas sejam dobradas adequadamente e até mesmo para garantir que os peptídeos sejam eventualmente cortados para reciclagem. Mas os tecidos podem variar em quanto dependem de vários aspectos do processo de controle de qualidade da proteína, e essas ênfases podem mudar com a idade, disse Jarosz.

“Isso é realmente importante, porque um grande mistério na biologia humana é por que essas doenças neurodegenerativas são tão específicas do tecido”, disse. Cynthia Kenyon, vice-presidente de pesquisa sobre envelhecimento da empresa de biotecnologia Calico Life Sciences, que não esteve envolvida no artigo de Stanford. Ninguém sabe realmente, por exemplo, por que as placas de proteína amilóide da doença de Alzheimer se formam no hipocampo do cérebro e os agregados na doença de Parkinson são específicos dos neurônios dopaminérgicos. A possibilidade de que várias células mantenham sua qualidade de proteína de forma diferente “pelo menos fornece uma explicação possível para o porquê de diferentes tecidos se comportarem de maneira tão diferente”, disse ela.

A Importância do Controle de Qualidade

Há boas evidências de estudos com vermes e moscas de que, se o mecanismo que preserva a estabilidade das proteínas for perturbado, os animais envelhecem mais rapidamente. Se as vias de controle de qualidade das proteínas forem geneticamente aprimoradas, os animais tendem a viver mais. Nada disso significa que a agregação de proteínas causa envelhecimento, mas implica fortemente que os dois estão fortemente correlacionados.

Para investigar ainda mais a relação entre agregação de proteínas e envelhecimento, os pesquisadores de Stanford analisaram mais de perto as proteínas em uma variedade mutante de killifish que envelhece de forma incomumente rápida. Esses peixes têm uma mutação em seu gene para a enzima telomerase, que preserva o comprimento dos cromossomos em divisão; animais com mutações da telomerase geralmente envelhecem rapidamente.

Jarosz disse que ele e seus colegas esperavam descobrir que no intestino e em outros tecidos que cresciam ou se substituíam rapidamente, haveria menos agregados: divisões celulares extras dariam aos tecidos de crescimento rápido mais oportunidades de limpar os agregados e se redefinir. Mas o oposto era verdadeiro: os tecidos de crescimento rápido tinham mais proteínas agregadas e mal dobradas e envelheciam mais rapidamente do que os tecidos que cresciam lentamente.

Mais uma vez, problemas com o controle da célula sobre a qualidade de suas proteínas podem ser a explicação. Se as células perderem o controle sobre os processos que mantêm a qualidade de suas proteínas, mais danos dos agregados podem se acumular a cada divisão celular. Tecidos que crescem rapidamente podem envelhecer mais rápido porque têm mais chances de acumular esse dano.

Condensação, Agregação e Priões

Por que as proteínas às vezes se agregam é complicado. Surpreendentemente, parte da resposta está profundamente ligada a um mecanismo essencial chamado condensação, que as células usam para controlar suas proteínas.

As formas 3-D complexas em que os peptídeos se dobram foram historicamente vistas como ditando as atividades e funções das proteínas que eles compunham. Mas na última década, descobriu-se que uma lista crescente de proteínas tem uma região “intrinsecamente desordenada” que não se dobra em uma forma estável. Sob as condições certas, multidões dessas proteínas se reúnem em gotículas ou condensados ​​– um processo reversível semelhante à “separação de fases” que faz com que o óleo forme gotículas na água. Ele pode aumentar a atividade enzimática concentrando enzimas junto com seus substratos ou suprimir a atividade sequestrando enzimas longe de seus substratos. Ao alterar a concentração local de substratos e enzimas dentro de si, as células podem usar condensados ​​para ajustar sua atividade proteica.

Mas as regiões desordenadas das proteínas também podem fazer com que elas se unam mais permanentemente como agregados, colando células e causando estragos. Pior ainda, algumas proteínas defeituosas não apenas se dobram e se agregam incorretamente, mas também fazem com que outras proteínas do mesmo tipo se dobram incorretamente, levando a uma reação em cadeia de agregação. Isso é conceitualmente semelhante ao que acontece na “doença da vaca louca” e na variante da síndrome de Creutzfeldt-Jakob, na qual proteínas anormalmente dobradas chamadas príons catalisam uma onda de agregação anormal de proteínas no cérebro.

A condensação é, portanto, um mecanismo de controle que vem com riscos. Mas em termos evolutivos, suas vantagens são aparentemente tão substanciais que o custo – uma vulnerabilidade a muitas doenças associadas ao envelhecimento – parece valer a pena pagar, disse Jarosz.

Uma ilustração clara disso surgiu em uma segunda pré-impressão publicada em março, na qual a equipe de Stanford hospedado em em uma proteína chamada DDX5 que se agrega em cérebros de killifish envelhecidos. O DDX5, que é mais ativo em seu estado condensado, atende a uma variedade de funções importantes no corpo, muitas vezes ajudando a garantir que outras proteínas sejam produzidas adequadamente. A partir de sua sequência de aminoácidos, os pesquisadores previram que o DDX5 provavelmente se comportaria como um príon, e seu trabalho subsequente confirmou que sim: uma proteína DDX5 mal dobrada promove o dobramento incorreto e a agregação de outras moléculas DDX5.

Mas a agregação não para por aí: os pesquisadores de Stanford também encontraram uma variedade de outras proteínas nos aglomerados de DDX5. Os agregados podem às vezes agir como “bolhas pegajosas” que prendem outras proteínas, interferindo indiscriminadamente nas funções celulares, explicou John Labbadia, cujo laboratório na University College London estuda controle de qualidade de proteínas e envelhecimento.

“Isso sugere que temos essas... proteínas que se agregam com a idade e que podem realmente catalisar mais agregação de proteínas de maneira semelhante a príons, o que não foi mostrado antes”, disse ele.

A equipe de Stanford estabeleceu cuidadosamente qual região da proteína DDX5 possibilita que a condensação controle sua atividade – e acabou sendo a mesma região que também a torna propensa à agregação. O controle sobre a função natural da proteína e sua tendência à agregação estão inextricavelmente ligados. “É um Catch-22”, disse Labbadia.

“Uma das fascinantes mudanças de mentalidade para mim é que o domínio desordenado não é necessário para a atividade definida de forma muito restrita”, disse Jarosz. “Mas em termos de como essa atividade é realmente implantada no sistema vivo, é realmente extremamente importante.”

Patológica ou protetora?

Exatamente o que desencadeia a formação de agregados e quantos problemas eles causam para as células continua sendo “uma enorme, fantástica e grande controvérsia no campo”, disse Kenyon. Por um lado, os agregados sequestram DDX5 e outras proteínas, eliminando efetivamente importantes funções celulares. Mas os agregados também podem ter um efeito protetor na sobrevivência celular.

Um bom exemplo do efeito protetor surgiu de estudos da proteína huntingtina, que é mais abundante no cérebro. Huntingtin é essencial para o desenvolvimento saudável do sistema nervoso, mas em pessoas com doença de Huntington, uma mutação faz com que a proteína huntingtina seja anormalmente longa. A proteína longa é então cortada em segmentos menores e tóxicos que danificam o sistema nervoso.

Em 2004, Steve Finkbeiner, pesquisador sobre o envelhecimento dos Institutos Gladstone e da Universidade da Califórnia, em São Francisco, estudava a agregação da proteína huntingtina em neurônios cultivados. Sua equipe mostrou que, embora todos os neurônios que expressam a proteína huntingtina anormal tenham morrido com o tempo, os neurônios que tinham agregados de huntingtina sobreviveu mais do que aqueles que não o fizeram.

“Foi a primeira evidência de que a formação [agregada] era uma resposta de enfrentamento a outras formas submicroscópicas da proteína mal dobrada que estava causando o problema”, explicou Finkbeiner em um e-mail para Quanta.

Ele e outros mostraram desde então que essa resposta de agregação protetora também ocorre em outras doenças neurodegenerativas. Isso pode explicar o fracasso repetido de testes experimentais para o tratamento da doença de Alzheimer visando placas, disse ele: Se as placas amilóides características da doença se formarem para ligar de forma protetora a proteína defeituosa, a quebra das placas pode fazer mais mal do que bem.

“É um conceito difícil para os humanos entenderem, pois parece intuitivo que coisas que parecem anormais devem ser 'ruins' e patogênicas”, escreveu Finkbeiner. “Mas a biologia é complexa, cheia de muitos ciclos de feedback, por isso é importante que as pessoas não sejam enganadas tirando conclusões precipitadas.”

Um desafio universal com muitas soluções

A imagem que emerge claramente agora é que a agregação de proteínas não é um fenômeno restrito a doenças neurodegenerativas: é parte de cada célula que vive o suficiente para envelhecer. Muitas proteínas normais e importantes para o desenvolvimento, como o DDX5, tendem a se agregar, e lidar com essa aglomeração é um desafio universal que todas as células precisam enfrentar.

Como as células lidam com esse problema há muito tempo, impedir a agregação pode ter sido uma força importante na evolução das sequências de proteínas. Como as proteínas abundantes são propensas à agregação, e as mutações aumentam essa tendência, é provável que a seleção natural contra mutações em proteínas abundantes seja muito forte. (Essa conclusão é apoiada pela observação de que em animais jovens, proteínas mais abundantes tendem a ter taxas de mutação mais baixas.) Assim, proteínas escassas podem evoluir mais rapidamente do que proteínas abundantes, e uma taxa evolutiva mais rápida deve se correlacionar com uma propensão a agregar.

Brunet e Jarosz observaram que esse efeito era mais pronunciado no cérebro do killifish. Os pesquisadores especularam que essas proteínas agregadoras podem ter sido chaves para inovações no órgão. Se assim for, as mudanças evolutivas no cérebro que o tornaram um órgão tão importante nos vertebrados também podem ter tornado o órgão mais vulnerável a doenças degenerativas causadas por agregação.

De fato, é provável que cada tecido e órgão tenha que encontrar um equilíbrio ou troca diferente entre fazer seu trabalho e gerenciar a agregação de proteínas, disse Jarosz. Cada tecido tem requisitos funcionais únicos e restrições a serem obedecidas: As células intestinais mudam constantemente; as células endócrinas produzem e secretam hormônios; as células imunes entram em ação quando detectam invasores; o cérebro processa as informações. Trabalhos diferentes exigem proteínas diferentes, o que significa que as estratégias desenvolvidas para lidar com a agregação de proteínas variam de tecido para tecido e de animal para animal. Como o cérebro dos vertebrados evoluiu em um passado relativamente recente muito mais extensa e rapidamente do que, digamos, os músculos, sua maquinaria de controle de qualidade de proteínas pode ainda não ter tido tempo suficiente para desenvolver proteções adequadas contra a agregação de proteínas relativamente novas.

Ainda assim, o problema fundamental da agregação de proteínas existe para todos os organismos todos os dias, não apenas durante interlúdios de doenças ou estresse maciço. O DDX5 semelhante a príons e proteínas semelhantes “têm uma propensão intrínseca de agregar, e o organismo se esforça para se proteger contra a agregação”, disse David. “É algo fisiológico com o qual todos temos que lidar.”

E o fato de que a agregação de proteínas em todo o corpo é um fator no envelhecimento de organismos tão díspares quanto leveduras, vermes, moscas, peixes, camundongos e humanos, ela acrescentou, “significa que nós, como campo, deveríamos estar pagando muito mais atenção a isso.”