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Nobel de Medicina e Fisiologia 2019: Adaptabilidade celular frente a disponibilidade de Oxigênio

Nobel de Medicina e Fisiologia 2019: Adaptabilidade celular frente a disponibilidade de Oxigênio

A Assembléia Nobel do Karolinska Institute decidiu hoje conceder o Prêmio Nobel de 2019 em Fisiologia ou Medicina, em conjunto com William G. Kaelin Jr., Sir Peter J. Ratcliffe e Gregg L. Semenza por suas descobertas de como as células se sentem e se adaptam à disponibilidade de oxigênio.

RESUMO

Os animais precisam de oxigênio para a conversão de alimentos em energia útil. A importância fundamental do oxigênio é entendida há séculos, mas há muito que se sabe como as células se adaptam às mudanças nos níveis de oxigênio.

William G. Kaelin Jr., Sir Peter J. Ratcliffe e Gregg L. Semenza descobriram como as células podem sentir e se adaptar às mudanças na disponibilidade de oxigênio. Eles identificaram máquinas moleculares que regulam a atividade dos genes em resposta a níveis variados de oxigênio.

As descobertas seminais dos ganhadores do Nobel deste ano revelaram o mecanismo para um dos processos adaptativos mais essenciais da vida. Eles estabeleceram a base para nossa compreensão de como os níveis de oxigênio afetam o metabolismo celular e a função fisiológica. Suas descobertas também abriram o caminho para novas estratégias promissoras para combater a anemia, o câncer e muitas outras doenças.

Oxigênio no centro do palco

O oxigênio, com a fórmula O2, compõe cerca de um quinto da atmosfera da Terra. O oxigênio é essencial para a vida animal: é usado pelas mitocôndrias presentes em praticamente todas as células animais para converter alimentos em energia útil. Otto Warburg, o ganhador do Prêmio Nobel de 1931 em Fisiologia ou Medicina, revelou que essa conversão é um processo enzimático.

Durante a evolução, foram desenvolvidos mecanismos para garantir um suprimento suficiente de oxigênio aos tecidos e células. O corpo carotídeo, adjacente aos grandes vasos sanguíneos de ambos os lados do pescoço, contém células especializadas que detectam os níveis de oxigênio no sangue. O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1938, de Corneille Heymans, concedeu descobertas mostrando como o oxigênio no sangue, através do corpo carotídeo, controla nossa frequência respiratória, comunicando-se diretamente com o cérebro.

HIF entra em cena

Além da rápida adaptação controlada pelo corpo carotídeo a baixos níveis de oxigênio (hipóxia), existem outras adaptações fisiológicas fundamentais. Uma resposta fisiológica chave à hipóxia é o aumento dos níveis do hormônio eritropoietina (EPO), que leva ao aumento da produção de glóbulos vermelhos (eritropoiese). A importância do controle hormonal da eritropoiese já era conhecida no início do século 20, mas como esse processo foi controlado pelo O2 permaneceu um mistério.

Gregg Semenza estudou o gene EPO e como ele é regulado pela variação dos níveis de oxigênio. Usando camundongos modificados por genes, segmentos específicos de DNA localizados ao lado do gene EPO mostraram mediar a resposta à hipóxia. Sir Peter Ratcliffe também estudou a regulação dependente de O2 do gene da EPO, e os dois grupos de pesquisa descobriram que o mecanismo de detecção de oxigênio estava presente em praticamente todos os tecidos, não apenas nas células renais onde a EPO é normalmente produzida. Essas foram descobertas importantes, mostrando que o mecanismo era geral e funcional em muitos tipos diferentes de células.

Semenza desejava identificar os componentes celulares que mediavam essa resposta. Nas células hepáticas cultivadas, ele descobriu um complexo de proteínas que se liga ao segmento de DNA identificado de maneira dependente de oxigênio. Ele chamou esse complexo de fator induzido por hipóxia (HIF). Esforços extensos para purificar o complexo HIF começaram e, em 1995, Semenza conseguiu publicar algumas de suas principais conclusões, incluindo a identificação dos genes que codificam o HIF. Verificou-se que o HIF consiste em duas proteínas diferentes de ligação ao DNA, os chamados fatores de transcrição, agora denominados HIF-1α e ARNT. Agora, os pesquisadores poderiam começar a resolver o quebra-cabeça, permitindo entender quais componentes adicionais estavam envolvidos e como a maquinaria funciona.

BVS: um parceiro inesperado

Quando os níveis de oxigênio são altos, as células contêm muito pouco HIF-1a. No entanto, quando os níveis de oxigênio são baixos, a quantidade de HIF-1α aumenta para que ele possa se ligar e, assim, regular o gene da EPO, bem como outros genes com segmentos de DNA de ligação ao HIF (Figura 1). Vários grupos de pesquisa mostraram que o HIF-1α, que normalmente é rapidamente degradado, é protegido da degradação na hipóxia. Em níveis normais de oxigênio, uma máquina celular chamada proteassoma, reconhecida pelo Prêmio Nobel de Química de 2004 a Aaron Ciechanover, Avram Hershko e Irwin Rose, degrada o HIF-1α. Sob tais condições, um pequeno peptídeo, ubiquitina, é adicionado à proteína HIF-1a. A ubiquitina funciona como um marcador para proteínas destinadas à degradação no proteassoma. Como a ubiquitina se liga ao HIF-1α de maneira dependente de oxigênio permaneceu uma questão central.

A resposta veio de uma direção inesperada. Na mesma época em que Semenza e Ratcliffe estavam explorando a regulação do gene EPO, o pesquisador de câncer William Kaelin Jr. estava pesquisando uma síndrome herdada, a doença de von Hippel-Lindau (doença da BVS). Esta doença genética leva a um aumento dramático do risco de certos tipos de câncer em famílias com mutações herdadas na BVS. Kaelin mostrou que o gene da BVS codifica uma proteína que impede o aparecimento de câncer. Kaelin também mostrou que células cancerígenas sem um gene VHL funcional expressam níveis anormalmente altos de genes regulados por hipóxia; mas quando o gene da BVS foi reintroduzido nas células cancerígenas, os níveis normais foram restaurados. Essa foi uma pista importante, mostrando que a BVS estava de alguma forma envolvida no controle das respostas à hipóxia. Pistas adicionais vieram de vários grupos de pesquisa, mostrando que a BVS faz parte de um complexo que rotula proteínas com ubiquitina, marcando-as para degradação no proteassoma. Ratcliffe e seu grupo de pesquisa fizeram uma descoberta importante: demonstrar que a BVS pode interagir fisicamente com o HIF-1α e é necessária para sua degradação em níveis normais de oxigênio. Isso vinculou conclusivamente a BVS ao HIF-1a.

O oxigênio reduz a balança

Muitas peças haviam se encaixado, mas o que ainda faltava era a compreensão de como os níveis de O2 regulam a interação entre a BVS e a HIF-1α. A pesquisa se concentrou em uma porção específica da proteína HIF-1α, conhecida por ser importante para a degradação dependente da BVS, e Kaelin e Ratcliffe suspeitaram que a chave para a detecção de O2 residisse em algum lugar desse domínio proteico. Em 2001, em dois artigos publicados simultaneamente, eles mostraram que, sob níveis normais de oxigênio, grupos hidroxila são adicionados em duas posições específicas no HIF-1a (Figura 1). Essa modificação da proteína, chamada prolil hidroxilação, permite que a BVS reconheça e se ligue ao HIF-1α e, assim, explicou como os níveis normais de oxigênio controlam a rápida degradação do HIF-1α com a ajuda de enzimas sensíveis ao oxigênio (chamadas prolil hidroxilases). Outras pesquisas de Ratcliffe e outros identificaram as prolil hidroxilases responsáveis. Também foi demonstrado que a função de ativação gênica do HIF-1α era regulada por hidroxilação dependente de oxigênio. Os ganhadores do Nobel haviam elucidado o mecanismo de detecção de oxigênio e mostrado como ele funciona.

Figura 1. Quando os níveis de oxigênio são baixos (hipóxia), o HIF-1α é protegido da degradação e se acumula no núcleo, onde se associa ao ARNT e se liga a sequências específicas de DNA (HRE) em genes regulados pela hipóxia (1). Em níveis normais de oxigênio, o HIF-1α é rapidamente degradado pelo proteassoma (2). O oxigênio regula o processo de degradação pela adição de grupos hidroxila (OH) ao HIF-1a (3). A proteína VHL pode então reconhecer e formar um complexo com HIF-1α levando à sua degradação de maneira dependente de oxigênio (4).

Fisiologia e patologia das formas de oxigênio

Graças ao trabalho inovador desses ganhadores do Nobel, sabemos muito mais sobre como os diferentes níveis de oxigênio regulam os processos fisiológicos fundamentais. A detecção de oxigênio permite que as células adaptem seu metabolismo a baixos níveis de oxigênio: por exemplo, em nossos músculos durante exercícios intensos. Outros exemplos de processos adaptativos controlados pela detecção de oxigênio incluem a geração de novos vasos sanguíneos e a produção de glóbulos vermelhos. Nosso sistema imunológico e muitas outras funções fisiológicas também são aperfeiçoadas pelo mecanismo de detecção de O2. A detecção de oxigênio mostrou-se essencial durante o desenvolvimento fetal para controlar a formação normal dos vasos sanguíneos e o desenvolvimento da placenta.

A detecção de oxigênio é central para um grande número de doenças (Figura 2). Por exemplo, pacientes com insuficiência renal crônica geralmente sofrem de anemia grave devido à diminuição da expressão da EPO. A EPO é produzida por células nos rins e é essencial para controlar a formação de glóbulos vermelhos, como explicado acima. Além disso, a maquinaria regulada por oxigênio tem um papel importante no câncer. Nos tumores, a maquinaria regulada por oxigênio é utilizada para estimular a formação de vasos sanguíneos e remodelar o metabolismo para uma proliferação eficaz de células cancerígenas. Os intensos esforços contínuos em laboratórios acadêmicos e empresas farmacêuticas estão agora focados no desenvolvimento de medicamentos que podem interferir com diferentes estados de doenças, ativando ou bloqueando o mecanismo de detecção de oxigênio.

Figura 2. O mecanismo premiado para a detecção de oxigênio tem importância fundamental na fisiologia, por exemplo, para o nosso metabolismo, resposta imune e capacidade de adaptação ao exercício. Muitos processos patológicos também são afetados. Esforços intensos estão em andamento para desenvolver novos medicamentos que podem inibir ou ativar o mecanismo regulado por oxigênio para o tratamento de anemia, câncer e outras doenças.

Para ver o anúncio do prêmio assista 

William G. Kaelin, Jr. nasceu em 1957 em Nova York. Ele obteve um M.D. da Duke University, Durham. Ele fez seu treinamento especializado em medicina interna e oncologia na Johns Hopkins University, em Baltimore, e no Dana-Farber Cancer Institute, em Boston. Ele estabeleceu seu próprio laboratório de pesquisa no Dana-Farber Cancer Institute e tornou-se professor titular da Harvard Medical School em 2002. Ele é pesquisador do Howard Hughes Medical Institute desde 1998.

Sir Peter J. Ratcliffe nasceu em 1954 em Lancashire, Reino Unido. Ele estudou medicina no Gonville e no Caius College na Universidade de Cambridge e fez seu treinamento especializado em nefrologia em Oxford. Ele estabeleceu um grupo de pesquisa independente na Universidade de Oxford e tornou-se professor titular em 1996. Ele é diretor de pesquisa clínica do Francis Crick Institute, em Londres, diretor do Target Discovery Institute em Oxford e membro do Ludwig Institute for Cancer Research.

Gregg L. Semenza nasceu em 1956 em Nova York. Ele obteve seu B.A. em Biologia pela Universidade de Harvard, Boston. Ele recebeu um diploma de MD / PhD da Universidade da Pensilvânia, Faculdade de Medicina da Filadélfia em 1984 e treinou como especialista em pediatria na Duke University, Durham. Ele fez treinamento de pós-doutorado na Universidade Johns Hopkins, Baltimore, onde também estabeleceu um grupo de pesquisa independente. Ele se tornou professor titular da Universidade Johns Hopkins em 1999 e desde 2003 é diretor do Programa de Pesquisa Vascular do Instituto Johns Hopkins de Engenharia Celular.

Principais publicações

Semenza, G.L, Nejfelt, M.K., Chi, S.M. & Antonarakis, S.E. (1991). Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3’ to the human erythropoietin gene. Proc Natl Acad Sci USA88, 5680-5684

Wang, G.L., Jiang, B.-H., Rue, E.A. & Semenza, G.L. (1995). Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension.  Proc Natl Acad Sci USA, 92, 5510-5514

Maxwell, P.H., Wiesener, M.S., Chang, G.-W., Clifford, S.C., Vaux, E.C., Cockman, M.E., Wykoff, C.C., Pugh, C.W., Maher, E.R. & Ratcliffe, P.J. (1999). The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis. Nature, 399, 271-275

Mircea, I., Kondo, K., Yang, H., Kim, W., Valiando, J., Ohh, M., Salic, A., Asara, J.M., Lane, W.S. & Kaelin Jr., W.G. (2001) HIFa targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation: Implications for O2 sensing. Science, 292, 464-468

Jakkola, P., Mole, D.R., Tian, Y.-M., Wilson, M.I., Gielbert, J., Gaskell, S.J., von Kriegsheim, A., Heberstreit, H.F., Mukherji, M., Schofield, C.J., Maxwell, P.H., Pugh, C.W. & Ratcliffe, P.J. (2001). Targeting of HIF-α to the von Hippel-Lindau ubiquitylation complex by O2-regulated prolyl hydroxylation. Science, 292, 468-472

MLA style: Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2019. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Mon. 7 Oct 2019. <https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019/press-release/>

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