Até dezembro de 2021, mais de 8 bilhões de doses de vacinas contra a doença do coronavírus 2019 (COVID-19) foram administradas, incluindo cerca de 217 milhões de doses de reforço. O alvo principal dessas vacinas tem sido a chamada proteína "spike" ou "S", uma proteína viral essencial que desempenha um papel fundamental ao permitir que o vírus invada as células hospedeiras.
Embora as vacinas sejam cruciais, o desenvolvimento de terapias para a COVID-19 revelou que as proteínas intrinsecamente desordenadas podem desempenhar um papel patológico crítico. Historicamente, os biólogos acreditavam que a sequência de aminoácidos de cada proteína determinava sua estrutura tridimensional, o que, por sua vez, determinava sua função. No entanto, existe um grande grupo de proteínas e regiões que carecem de uma estrutura 3D fixa ou ordenada, mas que ainda exibem atividades biológicas essenciais — as chamadas proteínas e regiões intrinsecamente desordenadas (Figura 1).
Essa desordem proteica é codificada nas sequências de aminoácidos e é abundante em todos os organismos vivos e vírus. Uma compreensão mais profunda dessas regiões notáveis nas características das proteínas do SARS-CoV-2 poderia permitir um progresso mais rápido no desenvolvimento terapêutico para a COVID-19.
Exemplos de proteínas intrinsecamente desordenadas
A variabilidade natural encontrada nas "proteínas intrinsecamente desordenadas" (IDPs) ou nas "regiões intrinsecamente desordenadas" (IDPRs) dentro das proteínas pode ser observada em todos os três domínios da vida. Elas estão ligadas a processos importantes, como catálise enzimática, regulação alostérica, sinalização celular, transcrição, entre outros.
No entanto, elas também desempenham um papel em doenças, incluindo neurodegeneração, diabetes, doenças cardiovasculares, amiloidose, doenças genéticas e câncer. Além disso, as proteínas virais frequentemente contêm tais regiões, que têm sido correlacionadas com a virulência porque conferem às proteínas virais a capacidade de se ligar de forma fácil e promíscua às proteínas do hospedeiro.
O interesse em IDPs/IDPRs na ciência das proteínas tem aumentado rapidamente desde o ano 2000, como demonstrado por uma pesquisa na CAS Content CollectionTM (Figura 2), e seus papéis no design de medicamentos, inclusive na COVID-19, estão começando a ser explorados.
Proteínas intrinsecamente desordenadas no SARS-CoV-2
O SARS-CoV-2 forma um vírion que inclui seu RNA genômico agrupado em uma partícula composta por: a proteína S, importante para a entrada nas células hospedeiras; a proteína de membrana (M), que facilita a montagem viral; a proteína do pequeno envelope (E) do canal iônico; e a proteína do nucleocapsídeo (N), que se monta com o RNA viral para formar o nucleocapsídeo (Figura 3).
IDPs/IDPRs não são comuns no proteoma do SARS-CoV-2. Na verdade, o proteoma do SARS-CoV-2 exibe níveis significativos de ordem estrutural — exceto pela proteína do nucleocapsídeo (N), as proteínas do SARS-CoV-2 são proteínas altamente ordenadas que contêm poucas regiões proteicas intrinsecamente desordenadas. Vale ressaltar, no entanto, que as regiões desordenadas existentes contribuem significativamente para o funcionamento e a virulência do vírus e são, portanto, alvos promissores para a descoberta de medicamentos antivirais; tal abordagem já provou ser valiosa na identificação de novos candidatos a medicamentos.
A proteína do nucleocapsídeo (N)
A proteína N, que se liga ao RNA, estabiliza o RNA genômico dentro da partícula viral e regula a transcrição, replicação e empacotamento do genoma viral. A proteína N é altamente desordenada — sua porcentagem média de desordem intrínseca prevista é de cerca de 65%. Essas regiões desordenadas parecem ser importantes para manter o nucleocapsídeo e, portanto, podem servir como alvos para o design de medicamentos. Regiões desordenadas dentro da proteína N também parecem ser importantes para permitir que a proteína se agregue por meio de um processo chamado "separação de fase líquido-líquido", potencialmente como uma forma de interromper a formação natural de grânulos de estresse, importantes na imunidade da célula hospedeira. Assim, a interrupção do processo de separação de fase líquido-líquido da proteína N é promissora para intervenção antiviral e oferece novos alvos e estratégias para o desenvolvimento de medicamentos para combater a COVID-19.
A proteína spike (S)
A proteína S ornamenta a superfície viral como uma coroa. Ela é fundamental para a entrada do vírus no hospedeiro (Figura 4) e, como tal, tem sido um alvo terapêutico comumente utilizado no desenvolvimento de vacinas contra a COVID-19. A ligação ao receptor e a fusão da membrana, as etapas iniciais da infecção, estão ambas relacionadas a regiões de substancial desordem intrínseca.
A análise da proteína S indica que tanto os locais de clivagem da subunidade S, associados à maturação da S, quanto o peptídeo de fusão S estão associados a IDPRs. Considerando que a digestão proteolítica é consideravelmente mais rápida em regiões proteicas não estruturadas em relação às estruturadas, essa especificidade estrutural da proteína S do SARS-CoV-2 pode ser de alta importância funcional.
Durante a infecção pelo vírus SARS-CoV-2, IDPRs podem ser detectadas na interface da proteína spike e do receptor ACE2, o receptor encontrado em tecidos humanos ao qual o vírus se liga. Os resíduos-chave da proteína spike têm uma forte afinidade de ligação à ACE2, uma provável razão para a alta transmissibilidade do SARS-CoV-2.
Portanto, a ligação ao receptor e a fusão da membrana, as etapas iniciais e importantes na infecção por coronavírus, estão ambas relacionadas a regiões de desordem intrínseca substancial na proteína S. Elas são alvos primários para inibir a infecção por SARS-CoV-2.
A proteína de membrana (M)
A proteína M é uma importante proteína transmembrana encontrada em grande número no vírion. O SARS-CoV-2 possui um dos invólucros externos protetores mais resistentes entre os coronavírus — isso está potencialmente relacionado à baixa desordem intrínseca da proteína M (6%) e pode ser responsável pela alta resiliência e transmissibilidade do vírus. De fato, uma correlação foi demonstrada entre a virulência de vários vírus e a porcentagem de desordem intrínseca de suas proteínas M, sendo que proteínas M menos desordenadas estão associadas a vírus mais contagiosos.
Perspectivas futuras: as fronteiras do design de medicamentos
O surgimento de novos vírus e epidemias associadas ao redor do globo é atualmente uma grande preocupação. O conhecimento das estruturas e funções das proteínas virais é, portanto, de grande importância para a identificação de novos alvos terapêuticos para a prevenção e tratamento de doenças.
Em nossa publicação revisada por pares na ACS Infectious Diseases, resumimos as informações disponíveis sobre o proteoma do SARS-CoV-2 em relação à ocorrência de desordem intrínseca em suas proteínas. De fato, reconheceu-se que o proteoma do SARS-CoV-2 exibe níveis substanciais de ordem estrutural — apenas a proteína N é altamente desordenada. Embora outras proteínas do SARS-CoV-2 sejam caracterizadas por graus menores de desordem, suas IDPRs existentes contribuem significativamente para o funcionamento e a virulência do vírus e são alvos promissores para o design de medicamentos antivirais.
As IDPs são difundidas e têm inúmeras funções biológicas cruciais que complementam a funcionalidade de proteínas ordenadas. No entanto, quando ocorre um mau funcionamento (por exemplo, expressão, processamento ou regulação incorretos), as IDPs/IDPRs tendem a se envolver em interações indesejáveis e a participar do desenvolvimento de vários estados patológicos. De fato, muitas proteínas associadas à neurodegeneração, diabetes, doenças cardiovasculares, amiloidose e doenças genéticas, bem como a maioria das proteínas humanas relacionadas ao câncer, são IDPs ou contêm longas IDPRs.
Embora técnicas de biologia estrutural possam ser utilizadas no desenvolvimento de medicamentos, a prática do design racional de fármacos tem tradicionalmente sub-representado a presença de desordem intrínseca em proteínas-alvo. Compreender a estrutura dessas regiões no SARS-CoV-2 e em outros proteomas patogênicos seria claramente de grande benefício para o desenvolvimento de medicamentos contra a COVID-19 e além, continuando a expandir as fronteiras do design de fármacos.
