Notícia

Identificadas novas estruturas no interior dos cromossomos

Fonte

The Conversation

Data

quinta-feira, 14 abril 2022 17:35

Áreas

Biologia. Bioquímica. Genética. Genoma. Oncologia.

Desde o início deste século, grandes avanços tecnológicos em nível molecular e genômico, aliados a novas abordagens em microscopia de altíssima resolução, permitiram revelar novas estruturas cromossômicas e novos princípios de organização dos genomas – o genoma contém todas as a informação genética e, portanto, todas as sequências de DNA transmitidas através de divisões celulares.

Este conhecimento é fundamental para compreender o funcionamento das células, mas também para compreender melhor determinadas doenças e sua evolução.

O ácido desoxirribonucleico, ou DNA, contém informações genéticas específicas para cada espécie viva. Os cromossomos representam os portadores físicos dessa informação. O conjunto de cromossomos também é chamado de genoma e contém todos os genes. Desde a descoberta em 1953 da estrutura de dupla hélice do DNA, a questão de sua organização dentro dos núcleos das  células deu origem a inúmeros estudos em todo o mundo. Para compreender melhor essa questão, pode-se reiterar  que os humanos possuem 46 cromossomos, que contêm 3 bilhões de pares de bases (pb) de DNA, o que representa um filamento molecular de cerca de 2 m. No entanto, este filamento é capaz de estar contido em núcleos celulares de cerca de 10 μm (um micrômetro = um milésimo de milímetro) de diâmetro. Para entender melhor o funcionamento do genoma e dos genes, era, portanto, essencial saber como todo esse DNA é capaz de se dobrar em um núcleo celular.

No início dessa organização, há o nucleossomo, cuja estrutura foi elucidada em 1997. O nucleossomo é formado por proteínas muito básicas chamadas histonas, que possuem grande afinidade pela molécula ácida do DNA. Essas histonas formarão um corpo central em torno do qual a molécula de DNA se envolverá, a uma taxa de 146 pb para um nucleossomo, um segmento de 11 nm de largura e 6 nm de altura. O nucleossomo, portanto, representa um primeiro nível estrutural de organização do DNA nos núcleos. Sinal de sua importância, essa estrutura muito particular é encontrada em todos os organismos com núcleo (eucariotos), sejam eles unicelulares ou mais complexos, como em animais e plantas.

Por muito tempo, pensou-se que a sucessão de nucleossomos (também chamados de fibra de cromatina), formando uma espécie de ‘colar de pérolas’, por sua vez acabava por formar uma fibra de 30 nm de diâmetro. Espirais dessa fibra acabariam levando aos cromossomos. No entanto, limitações técnicas, como a baixa resolução das técnicas de microscopia e a falta de outros métodos, impossibilitaram demonstrar se essa hipótese estava correta.

Por outro lado, sabe-se, desde 1985, que a organização dos cromossomos nos núcleos das células não é aleatória. Além disso, a forma bem conhecida dos cromossomos X não é falsa, mas representa apenas um estágio muito transitório em sua organização. De fato, essa conformação X muito condensada é propícia à sua segregação (seu compartilhamento) nas células filhas durante a divisão celular. Mas no resto do tempo, a forma dos cromossomos é bem diferente. Sua visualização com moléculas fluorescentes capazes de se entrelaçar especificamente na dupla hélice do DNA permitiu mostrar que cada cromossomo ocupava seu próprio espaço dentro do núcleo, evitando assim um emaranhamento excessivo com os demais cromossomos. Essa propriedade de ‘território cromossômico’ também é encontrada na maioria das espécies e parece muito importante, principalmente para espécies que possuem um grande número de cromossomos.

Novas tecnologias fornecem uma nova perspectiva sobre a organização do genoma

No início do século XXI, muitas pesquisas em todo o mundo permitiram compreender melhor os diferentes níveis de organização estrutural do genoma entre o nucleossomo e os ‘territórios cromossômicos’.

Esses avanços foram possíveis através do desenvolvimento e uso de novas tecnologias. Primeiro, surgiram novas técnicas em genômica, incluindo sequenciamento de DNA de alto rendimento (sequenciamento de próxima geração) e a possibilidade de capturar molecularmente estruturas finas de cromossomos usando o ‘Hi-C’. Ao mesmo tempo, a chegada da microscopia fotônica de super-resolução, que utiliza marcadores fluorescentes de DNA, tornou possível a visualização dessas estruturas cromossômicas diretamente no núcleo da célula.

Voltando à escala de organização cromossômica – depois do primeiro nível que é o nucleossomo – um segundo nível de organização corresponderá a agrupamentos de alguns nucleossomos, como pequenos aglomerados chamados em inglês de ‘nucleosome clutches‘ (assim foram denominados pelos autores de sua descoberta em analogia aos ovos encontrados em ninhos chocados). Os nucleossomos, portanto, não são agrupados de maneira regular como se pensava anteriormente, mas sim em feixes irregulares.

Essas ‘nucleosome clutches‘ se agrupam para formar uma estrutura chamada Nanodomínio de Cromatina, ou CND, que inclui aproximadamente 100.000 a 200.000 pares de bases de DNA, formando grandes aglomerados irregulares de nucleossomos de 150 a 300 nm de largura. Esses dois níveis foram descobertos recentemente (respectivamente em 2015 e 2020), graças à microscopia de super-resolução, capaz de resolver estruturas de 20 a 100 nm.

Os TADs estruturam o genoma e regulam a expressão gênica

O próximo nível desta organização chama-se TAD, em inglês ‘Topologically Associating Domain‘ (Domínio de Associação Topológica), identificado em 2012 com o método molecular de Hi-C. Os TADs são compostos por vários CNDs, formando superaglomerados de nucleossomos com cerca de 500 nm de largura. Assim, eles incluem tamanhos variados de DNA, com uma média de cerca de 1 megabase (1 milhão de pares de bases).

Os TADs são estruturas bastante heterogêneas, principalmente devido ao seu mecanismo dinâmico de formação. Esse mecanismo envolve a passagem do famoso ‘colar de pérolas'(referente à sucessão de nucleossomos) pelo anel formado pela coesina. A fibra de cromatina continuará a passar pelo anel até encontrar nas bordas de um TAD fatores nucleares chamados CTCF, uma espécie de ‘agentes alfandegários’ que, afixados no DNA, bloquearão a progressão da fibra. À medida que a fibra passa, os nucleossomos se organizam em garras e CNDs. O TAD representa então todo esse grande laço de cromatina que passou pelo anel de coesina.

Dentro dos cromossomos, a atividade dos genes é influenciada por várias sequências reguladoras (tipos de interruptores) que podem ser localizadas a dezenas de milhares de pares de bases de distância de seu gene. Assim, os TADs preservarão os genes e suas regiões reguladoras no mesmo ambiente molecular, o que pode ser propício à sua expressão (ou seja, sua leitura para levar à produção de uma proteína) em um tipo de célula, onde sua atividade é necessária. Graças às suas fronteiras, eles também permitirão separar os genes entre si, para evitar que genes ativos influenciem outros genes inativos em um determinado tipo de célula.

Estudos recentes mostraram que defeitos cromossômicos nas bordas dos TADs (do tipo inversão ou deleção impactando o posicionamento do CTCF ou tornando-o inoperante) levam a defeitos de isolamento entre os genes e, portanto, a ativações gênicas errôneas. Em alguns casos, esses rearranjos causarão a ativação de genes chamados ‘proto-oncogenes’, que podem levar à transformação das células e ao aparecimento de tumores.

Acesse o texto integral na página do Portal The Conversation (em francês).

Fonte: Dr. Frédéric Bantignies e Dr. Giacomo Cavalli (Universidade Montpellier), Portal ‘The Conversation’. Imagem: À esquerda: DNA cromossômico em um núcleo de célula, visto através de intercalação de DNA fluorescente e observação de microscopia de super-resolução. À direita: exemplos de TAD incluindo várias subestruturas, os CNDs, vistos graças a marcadores fluorescentes específicos e observação em microscopia de super-resolução. Fonte: Dr. Quentin Szabo.

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