Exposição ao Frio e Produção de Proteínas em C. elegans

A hibernação normalmente envolve uma queda significativa na produção de Proteínas em muitos animais. Por exemplo, certas proteínas relacionadas à tradução do código genético são reduzidas. Essa diminuição acontece em várias espécies, incluindo humanos, quando expostos a temperaturas frias. Durante esse tempo, alguns genes específicos ainda são expressos, levantando questões sobre como isso acontece, apesar da redução geral na síntese de proteínas.

Tradicionalmente, a hibernação tem sido estudada em animais como esquilos, morcegos e ursos. No entanto, organismos mais simples, como o nematódeo C. elegans, podem fornecer insights valiosos. Os C. elegans são vermes pequenos que vivem em regiões temperadas e conseguem lidar com períodos de frio em seu ambiente natural. Em condições controladas de laboratório, esses vermes podem ou morrer de congelamento rápido ou entrar em um estado dormente, parecido com a hibernação, quando resfriados lentamente. Notavelmente, durante essa hibernação, os C. elegans mostram uma desaceleração no envelhecimento, semelhante a alguns traços vistos em mamíferos durante a hibernação. Isso sugere que estudar os C. elegans pode nos ajudar a aprender sobre as respostas celulares básicas ao frio.

Na nossa pesquisa, descobrimos que os C. elegans, assim como os animais que hibernam, reduzem a produção total de proteínas quando expostos ao frio. A tradução de mRNAs específicos, as moléculas que carregam instruções para fazer proteínas, está correlacionada com suas quantidades. Isso sugere que a forma como os genes são expressos em resposta ao frio é controlada principalmente pela transcrição deles, ou seja, pelo processo de copiar DNA em RNA. Focamos em um gene específico, lips-11, que está ligado a proteínas envolvidas na resposta ao estresse na célula. Usando os C. elegans, observamos que o frio ativa uma via específica de resposta ao estresse que ajuda as células a lidarem com problemas que surgem em temperaturas baixas.

#Observações da Síntese de Proteínas em Condições Frias

Muitos estudos diferentes mostram que resfriar células ou organismos quase sempre leva à redução da produção de proteínas. Para ver se isso se aplica aos C. elegans, usamos um método onde resfriamos gradualmente os vermes e depois monitoramos sua síntese de proteínas em diferentes temperaturas. Usamos duas técnicas: uma para separar mRNAs pela quantidade de ribossomos que estão ligados e outra que mede a nova síntese de proteínas ao detectar uma molécula que é incorporada em novas proteínas.

Quando olhamos os resultados, notamos que os C. elegans mostraram uma perda significativa de complexos de tradução de proteínas ativas quando expostos a temperaturas frias, o que significa que menos ribossomos estavam trabalhando para produzir proteínas. Além disso, vimos uma queda drástica na incorporação do marcador de nova síntese de proteínas em vermes que foram resfriados. No geral, esses resultados estão alinhados com o que foi observado em outros animais, indicando que o resfriamento severo leva a uma redução global na produção de proteínas nos C. elegans.

#Regulação da Expressão Gênica no Frio

Enquanto a produção total de proteínas diminui em condições frias, alguns genes podem ainda ser expressos, um fenômeno que precisa de mais investigação. Analisamos o processo de tradução de proteínas e os níveis de mRNA. Inicialmente, ao mudar os vermes de uma temperatura mais alta para uma um pouco mais baixa, notamos apenas uma pequena mudança na tradução de proteínas. No entanto, passar para condições ainda mais frias levou a mudanças mais significativas. A maioria dos ajustes de tradução aconteceu durante o primeiro dia de exposição ao frio.

Nossos achados mostraram uma conexão próxima entre os níveis de mRNAs específicos e sua tradução em proteínas. Isso sugere que, mesmo com a diminuição da síntese de proteínas de modo geral, a tradução de mRNAs específicos ainda pode ocorrer se seus níveis permanecerem altos, embora algumas transcrições tenham sido traduzidas menos, apesar de terem altos níveis de mRNA. Isso aponta para mecanismos específicos que podem reduzir a tradução sem afetar as quantidades do mRNA inicial. Entre essas estava uma observação surpreendente: várias das transcrições ligadas a gorduras, que ajudam a manter a função da membrana celular, foram traduzidas menos, apesar dos níveis de mRNA inalterados.

#O Papel do IRE-1 na Expressão Gênica

Curiosamente, descobrimos que a expressão aumentada de lips-11 em condições frias acontece através de uma via de sinalização chamada UPR, especificamente seu componente IRE-1. A UPR é uma resposta ao estresse celular que ajuda a gerenciar problemas com a dobragem e processamento de proteínas no retículo endoplasmático (ER). Nós descobrimos que a expressão do gene lips-11 aumentou não só em resposta ao frio, mas também quando os vermes foram tratados com um produto químico que induz a UPR.

Ao realizar mais experimentos, confirmamos que a expressão de lips-11 em condições frias depende do IRE-1. Quando inibimos a atividade do IRE-1, a expressão do gene lips-11 caiu significativamente. XBP-1, um fator de transcrição ativado pelo IRE-1, também foi considerado crucial para essa resposta.

#Observando o Estresse do ER no Frio

Dado que a ativação do IRE-1 sugere estresse no ER, realizamos mais experimentos para confirmar isso. Usamos um repórter específico da UPR que rastreia a expressão de um gene ligado à resposta do estresse do ER. Esse repórter indicou que a exposição ao frio aumentou a expressão desse gene de resposta ao estresse ao longo do tempo. Outros marcadores relacionados ao estresse na mitocôndria também foram avaliados, mas não mostraram aumento na expressão em condições frias, sugerindo que o frio impacta principalmente o ER e não as mitocôndrias.

Embora tenhamos descoberto que a via IRE-1 parecia ser ativada principalmente pelo frio, também exploramos se outras partes da UPR poderiam estar envolvidas. Nossos resultados indicaram um aumento em certos genes-alvo da UPR, principalmente aqueles relacionados à via IRE-1, sugerindo que ela desempenha um papel crucial na resposta ao frio.

#Homeostase Lipídica e Ativação da UPR

O estresse da exposição ao frio pode vir de problemas relacionados à dobragem incorreta de proteínas e desequilíbrios na composição lipídica dentro do ER. Testamos isso usando um repórter que mostra os níveis de proteínas mal dobradas. Depois de um dia em condições frias, observamos um leve aumento em proteínas mal dobradas, mas os níveis voltaram ao normal após alguns dias. Isso sugere que o estresse inicial da dobragem incorreta de proteínas pode não persistir, indicando que outros fatores podem contribuir para o estresse contínuo do ER durante exposição prolongada ao frio.

Desequilíbrios lipídicos também podem promover a ativação da UPR. Em nossos experimentos, encontramos que a via IRE-1 responde a mudanças nas estruturas lipídicas, particularmente em relação aos níveis de fosfatidilcolina e fosfatidiletanolamina. Para testar se mudanças na dieta poderiam influenciar a UPR induzida pelo frio, suplementamos a dieta dos vermes com certos ácidos graxos e colina, um componente vital na fabricação de fosfatidilcolina.

Nossos achados mostraram que adicionar ácidos graxos não alterou a expressão dos genes de resposta ao estresse induzidos pelo frio. Em contraste, a suplementação com colina reduziu a expressão de tanto lips-11 quanto outros repórteres de resposta ao estresse em condições frias. Isso sugere que a ativação da UPR induzida pelo frio é influenciada mais pelos níveis de colina e fosfatidilcolina do que por gorduras insaturadas.

#Importância do IRE-1 para a Sobrevivência no Frio

A ativação da via IRE-1 levanta questões sobre seu papel na resposta ao frio. Hipotetizamos que ela poderia melhorar a sobrevivência dos vermes em condições frias. Para testar isso, criamos uma cepa mutante sem IRE-1 funcional e descobrimos que esses vermes tiveram dificuldade para sobreviver em ambientes frios em comparação com seus companheiros normais. Isso indica que a via de sinalização IRE-1/XBP-1 contribui para a sobrevivência dos C. elegans durante o estresse do frio.

Apesar das evidências apontando para a importância do IRE-1, reduzir a expressão do gene lips-11 não parece ter afetado a sobrevivência no frio. Isso sugere que, embora lips-11 possa ser um alvo do IRE-1, outros genes ativados por essa via provavelmente são vitais para a estratégia de sobrevivência no frio.

#Conclusão

Nossos achados demonstram que os C. elegans apresentam uma redução global na síntese de proteínas quando expostos a frio severo, espelhando outros modelos animais. Reduzir a síntese de proteínas ajuda a preservar energia nesses ambientes frios. Embora a produção total de proteínas diminua, muitos mRNAs específicos continuam sendo traduzidos, sugerindo que a transcrição desempenha um papel crítico na regulação da expressão gênica em condições frias.

Descobrimos que a via IRE-1/XBP-1 influencia significativamente a expressão de genes específicos responsivos ao frio, incluindo o lips-11. Curiosamente, essa via parecia ser ativada principalmente por estresse relacionado ao ER, em vez de estresse celular geral.

Além disso, nossa pesquisa sugere que os efeitos do frio na produção de proteínas e no equilíbrio lipídico são complexos, com implicações que vão além dos C. elegans. Entender como o frio ativa as vias celulares pode eventualmente informar práticas médicas, especialmente em técnicas de hipotermia terapêutica usadas para proteger o cérebro e o coração durante procedimentos médicos.