Notícia

Uma visão sem precedentes da regulação genética

Fonte

MIT | Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

sexta-feira, 12 maio 2023 06:35

Áreas

Bioinformática. Biologia. Bioquímica. Biotecnologia. Engenharia Biológica. Genética. Genoma. Microbiologia.

Grande parte do genoma humano é feito de regiões reguladoras que controlam quais genes são expressos em um determinado momento dentro de uma célula. Esses elementos reguladores podem estar localizados perto de um gene alvo ou até 2 milhões de pares de bases distantes do alvo.

Para permitir essas interações, o genoma faz um loop em uma estrutura 3D que aproxima regiões distantes. Usando uma nova técnica, os pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, mostraram que podem mapear essas interações com resolução 100 vezes maior do que era possível anteriormente.

“Usando esse método, obtivemos os mapas de maior resolução do genoma 3D já gerados, e o que vemos são muitas interações entre intensificadores e promotores que não foram vistas anteriormente”, disse o Dr. Anders Sejr Hansen, professor de Engenharia Biológica no MIT e autor sênior do estudo. “Estamos entusiasmados por poder revelar uma nova camada de estrutura 3D com nossa alta resolução.”

As descobertas dos pesquisadores sugerem que muitos genes interagem com dezenas de diferentes elementos regulatórios, embora mais estudos sejam necessários para determinar quais dessas interações são as mais importantes para a regulação de um determinado gene.

“Os pesquisadores agora podem estudar de forma acessível as interações entre genes e seus reguladores, o que abre um mundo de possibilidades não apenas para nós, mas também para dezenas de laboratórios que já manifestaram interesse em nosso método”, disse Viraat Goel, doutorando do MIT e um dos autores principais do artigo. “Estamos entusiasmados em trazer à comunidade de pesquisa uma ferramenta que ajude a desvendar os mecanismos que impulsionam a regulação genética”.

O Dr. Miles Huseyin, pós-doutorando no laboratório do professor Hansen, também é autor principal do artigo, publicado na revista científica Nature Genetics.

Mapeamento de alta resolução

Os cientistas estimam que mais da metade do genoma consiste em elementos reguladores que controlam os genes, que representam apenas cerca de 2% do genoma. Estudos de associação em todo o genoma, que ligam variantes genéticas a doenças específicas, identificaram muitas variantes que aparecem nessas regiões regulatórias. Determinar com quais genes esses elementos reguladores interagem pode ajudar os pesquisadores a entender como essas doenças surgem e, potencialmente, como tratá-las.

Descobrir essas interações requer o mapeamento de quais partes do genoma interagem umas com as outras quando os cromossomos são colocados no núcleo. Os cromossomos são organizados em unidades estruturais chamadas nucleossomos – filamentos de DNA firmemente enrolados em torno de proteínas – ajudando os cromossomos a se encaixarem nos pequenos limites do núcleo.

Há mais de uma década, uma equipe que incluía pesquisadores do MIT desenvolveu um método chamado Hi-C, que revelou que o genoma é organizado como um ‘glóbulo fractal’, que permite que a célula empacote firmemente seu DNA, evitando nós. Essa arquitetura também permite que o DNA se desdobre e redobre facilmente quando necessário.

Para realizar o Hi-C, os pesquisadores usam enzimas de restrição para cortar o genoma em muitos pedaços pequenos e ligar bioquimicamente os pedaços que estão próximos uns dos outros no espaço 3D dentro do núcleo da célula. Eles então determinam as identidades das peças que interagem, amplificando-as e sequenciando-as.

Embora o Hi-C revele muito sobre a organização 3D geral do genoma, ele tem resolução limitada para selecionar interações específicas entre genes e elementos reguladores, como intensificadores. Os intensificadores são sequências curtas de DNA que podem ajudar a ativar a transcrição de um gene ligando-se ao promotor do gene – o local onde a transcrição começa.

Para alcançar a resolução necessária para encontrar essas interações, a equipe do MIT se baseou em uma tecnologia mais recente chamada Micro-C, inventada por pesquisadores da Escola de Medicina da Universidade de Massachusetts, nos Estados Unidos,  liderados pelo Dr. Stanley Hsieh e pelo Dr. Oliver Rando. A tecnologia Micro-C foi aplicada pela primeira vez em leveduras em brotamento em 2015 e posteriormente aplicada a células de mamíferos em três estudos, com artigos publicados em 2019 e 2020.

O método Micro-C atinge uma resolução mais alta do que o Hi-C usando uma enzima conhecida como nuclease microcócica para cortar o genoma. As enzimas de restrição do Hi-C cortam o genoma apenas em sequências de DNA específicas que são distribuídas aleatoriamente, resultando em fragmentos de DNA de tamanhos variados e maiores. Em contraste, a nuclease microcócica corta uniformemente o genoma em fragmentos do tamanho de nucleossomos, cada um contendo de 150 a 200 pares de bases de DNA. Essa uniformidade de pequenos fragmentos concede ao Micro-C sua resolução superior ao Hi-C.

No entanto, como o Micro-C pesquisa todo o genoma, essa abordagem ainda não atinge resolução alta o suficiente para identificar os tipos de interações que os pesquisadores desejam ver. Por exemplo, se você quiser ver como 100 sítios de genoma diferentes interagem entre si, você precisa sequenciar pelo menos 100 multiplicado por 100 vezes, ou 10.000. O genoma humano é muito grande e contém cerca de 22 milhões de sítios na resolução do nucleossomo. Portanto, o mapeamento Micro-C de todo o genoma humano exigiria pelo menos 22 milhões multiplicados por 22 milhões de leituras de sequenciamento, custando mais de US$ 1 bilhão.

Para reduzir esse custo, a equipe desenvolveu uma maneira de realizar um sequenciamento mais direcionado das interações do genoma, permitindo que os pesquisadores se concentrassem em segmentos do genoma que contêm genes de interesse. Concentrando-se em regiões abrangendo alguns milhões de pares de bases, o número de possíveis sítios genômicos diminui mil vezes e os custos de sequenciamento diminuem um milhão de vezes, para cerca de US$ 1.000. O novo método, chamado Region Capture Micro-C (RCMC), é, portanto, capaz de gerar mapas baratos 100 vezes mais ricos em informações do que outras técnicas publicadas por uma fração do custo.

“Agora temos um método para obter mapas de estrutura 3D do genoma de resolução ultra-alta de uma maneira muito acessível. Anteriormente, era tão inacessível financeiramente porque você precisaria de milhões, senão bilhões de dólares, para obter alta resolução. A única limitação é que você não pode obter todo o genoma, então você precisa saber aproximadamente em qual região está interessado, mas você pode obter uma resolução muito alta, muito acessível”, concluiu o Dr. Anders Sejr Hansen.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (em inglês).

Fonte: Anne Trafton, MIT News Office. Imagem: Melanie Gonick, MIT.

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