Quando as pessoas imaginam o DNA, frequentemente visualizam um conjunto de genes que moldam nossos traços físicos, influenciam o comportamento e ajudam a manter nossas células e órgãos funcionando.
Contudo, os genes representam apenas uma pequena parte do nosso código genético. Aproximadamente 2% do DNA contém nossos cerca de 20.000 genes. O restante, 98%, tem sido frequentemente rotulado como genoma não codificante ou “DNA lixo”. Essa porção maior inclui muitas das chaves de controle que determinam quando os genes são ativados e quão intensamente eles agem.
Astrocitos e os switches de DNA ocultos no cérebro
Pesquisadores da UNSW Sydney localizaram agora os switches de DNA que ajudam a regular os astrocitos. Os astrocitos são células do cérebro que suportam os neurônios e são conhecidos por estarem envolvidos na doença de Alzheimer.
Em uma pesquisa publicada em 18 de dezembro na Nature Neuroscience, uma equipe da Escola de Biotecnologia e Ciências Biomoleculares da UNSW relatou que testaram quase 1000 possíveis switches em astrocitos humanos cultivados em laboratório. Esses switches são sequências de DNA chamadas de enhancers. Os enhancers podem estar distantes dos genes que influenciam, às vezes separados por centenas de milhares de letras de DNA, o que dificulta sua investigação.
Testando quase 1000 enhancers simultaneamente
Para enfrentar esse desafio, os pesquisadores combinaram CRISPRi com sequenciamento de RNA de célula única. CRISPRi é um método que pode desligar pequenos trechos de DNA sem cortá-los. O sequenciamento de RNA de célula única mede a atividade gênica em células individuais. Juntas, essas ferramentas permitiram à equipe examinar os efeitos de quase 1000 enhancers em um único teste de larga escala.
“Utilizamos CRISPRi para desligar potenciais enhancers nos astrocitos para ver se isso alterava a expressão gênica,” diz a autora principal, Dra. Nicole Green.
“E se alterasse, sabíamos que tínhamos encontrado um enhancer funcional e podíamos descobrir qual gene — ou genes — ele controla. Isso aconteceu com cerca de 150 dos potenciais enhancers que testamos. E, surpreendentemente, uma grande parte desses enhancers funcionais controlava genes implicados na doença de Alzheimer.”
Reduzir a lista de 1000 candidatos para cerca de 150 switches confirmados diminui consideravelmente a área de busca no genoma não codificante por pistas genéticas relacionadas à doença de Alzheimer.
“Esses achados sugerem que estudos similares em outros tipos de células cerebrais são necessários para destacar os enhancers funcionais no vasto espaço do DNA não codificante.”
Por que o DNA “intermediário” é importante para muitas doenças
A professor Irina Voineagu, que supervisionou o estudo, afirma que os resultados também fornecem uma referência útil para a interpretação de outras pesquisas genéticas. As descobertas da equipe criam um catálogo de regiões de DNA que podem ajudar a explicar resultados de estudos que buscam mudanças genéticas relacionadas a doenças.
“Quando pesquisadores buscam mudanças genéticas que expliquem doenças como hipertensão, diabetes e também distúrbios psiquiátricos e neurodegenerativos como a doença de Alzheimer — frequentemente encontramos mudanças não dentro de genes, mas entre eles,” diz ela.
Sua equipe testou diretamente esses trechos “intermediários” em astrocitos humanos e mostrou quais enhancers realmente controlam genes essenciais do cérebro.
“Ainda não estamos falando sobre terapias. Mas você não pode desenvolvê-las a menos que primeiro entenda o diagrama de fiação. Isso é o que isso nos dá — uma visão mais profunda na circuitaria do controle gênico em astrocitos.”
Dos switches gênicos a modelos de predição por IA
Realizar quase mil testes de enhancers no laboratório demandou um esforço minucioso. Os pesquisadores afirmam que esta é a primeira vez que um rastreamento de enhancers por CRISPRi de tal magnitude foi realizado em células cerebrais. Agora que as bases foram estabelecidas, o conjunto de dados pode ser utilizado também para treinar modelos computacionais a fim de prever quais enhancers suspeitos são verdadeiros switches gênicos, potencialmente economizando anos de trabalho laboratorial.
“Esse conjunto de dados pode ajudar biólogos computacionais a testar a eficácia de seus modelos de previsão na funcionalidade de enhancers,” diz a Prof. Voineagu.
Ela acrescenta que a equipe do Google DeepMind já está utilizando o conjunto de dados para avaliar seu recente modelo de aprendizado profundo chamado AlphaGenome.
Ferramentas potenciais para terapia gênica e medicina de precisão
Como muitos enhancers são ativos apenas em tipos celulares específicos, direcioná-los pode oferecer uma maneira de ajustar a expressão gênica em astrocitos sem alterar neurônios ou outras células cerebrais.
“Embora isso ainda não esteja perto de ser utilizado na clínica — e muito trabalho ainda é necessário antes que essas descobertas possam levar a tratamentos — existe um claro precedente,” diz a Prof. Voineagu.
“O primeiro medicamento de edição gênica aprovado para uma doença sanguínea — anemia falciforme — visa um enhancer específico para um tipo celular.”
A Dra. Green afirma que a pesquisa sobre enhancers pode se tornar uma parte importante da medicina de precisão.
“Esse é um aspecto que queremos explorar mais a fundo: descobrir quais enhancers podemos usar para ativar ou desativar genes em um único tipo de célula cerebral, e de uma forma muito controlada,” diz ela.
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