Novas imagens mostram como duplas hélices de ADN se podem unir como um fecho

Se fosse possível espreitar o interior do núcleo de uma célula, veríamos ADN compactado num espaço surpreendentemente reduzido.

Esta disposição coloca, porém, uma questão: as moléculas de ADN têm a mesma carga elétrica negativa e, por isso, repelem-se. Como conseguem ficar tão próximas?

Investigadores das universidades de Sheffield e de York, no Reino Unido, obtiveram uma pista notável. Observaram duas duplas hélices de ADN lado a lado, com os sulcos alinhados como os dentes de um fecho de correr.

O avanço fornece provas estruturais diretas de uma disposição proposta há mais de 20 anos. Em conjunto com simulações informáticas, mostra também como iões de carga positiva podem formar pontes que mantêm unidas moléculas de ADN vizinhas.

Este mecanismo abre caminho à investigação da compactação do ADN nas células e da associação entre regiões correspondentes antes da troca de material genético. O seu papel nas células vivas continua, contudo, por estabelecer.

Como as duplas hélices de ADN se alinham

Cada molécula analisada era já uma dupla hélice, constituída por duas cadeias enroladas uma em torno da outra. A equipa estudou a forma como duas dessas moléculas se associam lateralmente.

Com recurso a microscopia de força atómica de alta resolução, os investigadores mapearam, em meio líquido, as superfícies das moléculas. As imagens permitiram distinguir os sulcos maiores e menores que percorrem o ADN em espiral e revelaram casos em que estes estavam estreitamente alinhados.

As imagens capazes de distinguir sulcos individuais foram obtidas com iões de níquel, que proporcionaram uma resolução espacial ideal. Exames microscópicos de áreas maiores analisaram também o emparelhamento na presença de magnésio e cálcio, enquanto as simulações exploraram os seus efeitos no alinhamento dos sulcos.

Para mostrar num vídeo a união progressiva do ADN, à semelhança de um fecho de correr, as simulações exploraram o movimento subjacente às estruturas observadas.

«As imagens de microscopia foram obtidas de forma estática, o que nos permite alcançar a resolução necessária para observar e medir os sulcos menores e maiores individuais de cada molécula», disse à ScienceAlert Alice Pyne, biofísica da Universidade de Sheffield.

Esse nível de pormenor era essencial: ver apenas duas moléculas em contacto não permitiria saber se os respetivos sulcos estavam alinhados, como previa o modelo do fecho.

«A forma como duas duplas hélices de ADN se unem como um fecho foi proposta há mais de 20 anos», disse à ScienceAlert Agnes Noy, biofísica da Universidade de York.

«Estas imagens constituem a primeira visualização de que essa ideia é real.»

Pontes de iões entre moléculas de ADN

A questão seguinte era perceber o que poderia manter juntas moléculas com carga negativa.

«Os iões ajudam a criar uma ponte salina entre as duas moléculas, que as mantém unidas», explicou Pyne.

Nas simulações que acompanharam átomos individuais, iões com duas cargas positivas ligaram hélices vizinhas. Alguns dos contactos mais fortes formaram-se quando os sulcos menores se alinharam, permitindo aos iões interagir com ambas as moléculas através do espaço entre elas.

A sequência do ADN também influenciou essas ligações.

«A simulação mostrou que há sequências específicas que formam preferencialmente estas pontes, prendendo as duas moléculas uma à outra e permitindo depois que se unam como um “fecho”», disse Pyne à ScienceAlert.

Na presença de iões de níquel, os contactos particularmente estáveis estavam associados a uma curta sequência de ADN chamada GTAC. Nas simulações, o magnésio e o cálcio também estabilizaram os emparelhamentos alinhados, embora as redes de pontes variassem consoante o tipo de ião.

Isto sugere que a sequência contribui para determinar onde se formam os contactos e a estabilidade que estes alcançam.

«Além disso, verificámos que esta união do ADN depende da sequência, pelo que os genomas podem apresentar determinados pontos onde o emparelhamento é especialmente fácil», afirma Noy.

Emparelhamento do ADN e condições nas células

Compreender estas preferências poderá ajudar a explicar como se associam regiões correspondentes de ADN, um passo necessário na recombinação genética. O novo estudo oferece um quadro molecular para investigar esse reconhecimento, em vez de demonstrar todo o processo no interior das células.

De facto, a microscopia revelou várias disposições de emparelhamento. A maioria era incompatível com o alinhamento de sequências inteiramente correspondentes ao longo de toda a região de interação.

Os investigadores propõem que a ligação inicial e o emparelhamento prolongado possam envolver etapas diferentes. As pontes de iões poderiam estabelecer contactos locais, enquanto as sequências correspondentes ajudariam a manter o alinhamento e permitiriam que o emparelhamento se estendesse mais ao longo das hélices.

Assim, o simples contacto entre duas moléculas não significa necessariamente que tenham encontrado um par correspondente.

As experiências utilizaram ADN purificado em condições laboratoriais controladas. No interior das células, as proteínas e outras moléculas também ajudam a organizar o material genético, nomeadamente através do seu enrolamento em torno de proteínas chamadas histonas, formando estruturas conhecidas como nucleossomas.

«Estas experiências mostram-nos como se comportam moléculas individuais num ambiente de laboratório», disse Pyne à ScienceAlert.

Segundo a investigadora, os resultados poderão ajudar a compreender a compactação do ADN para além do seu enrolamento em nucleossomas, incluindo a forma como moléculas com uma carga fortemente negativa se agrupam tão perto umas das outras.

Noy afirmou que será necessária mais investigação para estudar uma possível ligação entre os resultados e o cancro.

O estudo não demonstrou que estas interações causem cancro, nem mapeou pontos de emparelhamento ao longo de um genoma. O próximo passo consiste em identificar as sequências que definem esses pontos e em localizá-las no genoma.

Por agora, os investigadores passaram de uma disposição proposta para imagens detalhadas de hélices alinhadas, apoiadas por simulações que mostram como os iões as poderão manter unidas.

Dispõem, assim, de um mecanismo concreto para testar no ambiente mais complexo de uma célula.

A investigação foi publicada na revista Nucleic Acids Research.

Este artigo foi verificado e editado por Rebecca Dyer. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos humanos. Se encontrar algum erro, por favor informe-nos.