Antes de uma célula se dividir em duas, ela deve primeiro duplicar todos os seus cromossomos para que cada nova célula herde um conjunto completo de material genético. Durante anos, os investigadores acreditaram que, à medida que este processo se desenrolava, a complexa forma tridimensional do genoma se perdia temporariamente.
Os cientistas acreditam que, após a divisão, o ADN reconstrói lentamente a sua complexa estrutura dobrada, o que é fundamental para regular quais os genes que estão activos numa determinada célula.
Agora, uma nova pesquisa do MIT mostra que este modelo há muito aceito não está totalmente correto. Usando um poderoso método de mapeamento do genoma de alta resolução, a equipe descobriu que pequenos loops 3D – conexões regulatórias entre elementos de DNA e genes – permanecem intactos mesmo durante a divisão celular, um estágio chamado mitose.
“Este estudo realmente ajuda a esclarecer como deveríamos pensar sobre a mitose. No passado, a mitose era considerada uma folha em branco, sem transcrição e sem estrutura associada à atividade genética. Mas agora sabemos que não é o caso”, disse Anders Sejr Hansen, professor associado de bioengenharia no MIT. “O que vemos é que a estrutura está sempre lá. Ela nunca desaparece.”
Loops de DNA que ajudam a “memória” das células
Os pesquisadores também descobriram que quando os cromossomos se condensam em preparação para a divisão, essas alças de DNA na verdade se fortalecem. Este aperto aproxima os reguladores distantes, encorajando-os a perseverar. A equipe diz que isso permite que as células “lembrem” quais interações genéticas existiam antes da divisão e as restabeleçam após a divisão.
“Essas descobertas ajudam a vincular a estrutura do genoma à sua função de governar como os genes são ativados e desativados, o que tem sido um desafio proeminente na área há décadas”, disse o Dr. Viraat Goel, 25 anos, principal autor do estudo.
Hansen e Edward Banigan, pesquisador do Instituto de Engenharia Médica e Ciência do MIT, são autores seniores do estudo, publicado em Biologia Estrutural e Molecular da Natureza. Os co-autores incluem o professor do MIT Leonid Mirny e Gerd Blobel, da Perelman School of Medicine da Universidade da Pensilvânia.
Mapeando a estrutura oculta do DNA
Nas últimas duas décadas, os cientistas descobriram que o DNA no núcleo da célula se organiza em anéis 3D. Muitas dessas alças permitem que os genes interajam com regiões reguladoras distantes – às vezes separadas por milhões de pares de bases – enquanto outras se formam durante a mitose para envolver firmemente os cromossomos.
Grande parte do mapeamento depende de uma ferramenta chamada Hi-C, uma tecnologia desenvolvida por pesquisadores do MIT e Job Dekker da Escola de Medicina Chan da Universidade de Massachusetts. O Hi-C funciona cortando o DNA em pequenos fragmentos e unindo fragmentos próximos uns dos outros no núcleo da célula e, em seguida, sequenciando-os para determinar quais regiões interagem.
O Hi-C, embora eficaz, não possui a resolução necessária para detectar as finas interações entre genes e sequências reguladoras chamadas intensificadores. Os intensificadores são segmentos curtos de DNA que ativam os genes ligando-se ao promotor (a região onde a transcrição começa).
Ferramenta inovadora: Micro-C de captura de região
Em 2023, Hansen e colegas desenvolveram uma tecnologia de próxima geração que pode mapear a estrutura do genoma com precisão de até 1.000 vezes. O método, denominado Region-Capture Micro-C (RC-MC), usa diferentes enzimas para cortar o DNA em fragmentos de tamanho uniforme e focar em partes menores do genoma. Isso permite que os pesquisadores criem mapas 3D altamente detalhados de regiões alvo do DNA.
Usando o RC-MC, a equipe identificou um novo recurso estrutural e o chamou de “microcâmaras”. Esses são laços minúsculos e firmemente conectados que se formam quando intensificadores e promotores próximos se ligam uns aos outros.
Trabalhos anteriores sugeriram que os microcompartimentos se formam por mecanismos diferentes das estruturas maiores do genoma 3D, mas a equipe ainda não sabia como. Para explorar isto, eles decidiram examinar o que acontece com essas estruturas quando as células sofrem mitose. Durante esta fase, os cromossomos são comprimidos dramaticamente para garantir que possam ser replicados e distribuídos uniformemente entre as células-filhas. Quando isso ocorre, grandes domínios genômicos conhecidos como compartimentos A/B e domínios topologicamente associados (TADs) geralmente desaparecem.
Estabilidade inesperada durante a divisão celular
Os pesquisadores esperam que os microcompartimentos também desapareçam. Para testar isso, eles monitoraram as células ao longo de seus ciclos de divisão para ver como esses ciclos se comportavam antes e depois da mitose.
“Durante a mitose, pensava-se que quase toda a transcrição genética era desativada. Antes do nosso artigo, pensava-se que toda a estrutura 3D associada à regulação genética era perdida e substituída pela compressão. É uma reinicialização completa a cada ciclo celular”, disse Hansen.
Para sua surpresa, o loop não desapareceu. Na verdade, eles se tornam mais pronunciados à medida que as células se dividem.
“Entramos neste estudo pensando que uma das coisas de que tínhamos certeza era que não existem estruturas reguladoras na mitose, e então descobrimos inesperadamente que existem estruturas na mitose”, disse Hansen.
Os pesquisadores também usaram sua técnica para demonstrar que estruturas maiores, como compartimentos A/B e TADs, desaparecem durante a mitose, como já havia sido visto antes.
“Este estudo explora a resolução genômica sem precedentes dos ensaios RC-MC para revelar aspectos novos e surpreendentes da organização da cromatina mitótica que negligenciamos no passado usando ensaios tradicionais baseados em 3C. Os autores revelam que, em contraste com a dramática perda e compartimentação de TADs durante a mitose, ‘microcompartimentos’ em escala fina (interações aninhadas entre elementos reguladores ativos) estão presentes”, disse Effie Apostolou, professor associado de biologia molecular em medicina no Weill Cornell Medical College, que não esteve envolvido no estudo.
Explicando explosões misteriosas de atividade genética
Essa descoberta também pode explicar a explosão de transcrição genética há muito observada que ocorre no final da mitose. Desde a década de 1960, os cientistas acreditavam que a transcrição parava completamente durante a divisão celular. No entanto, estudos realizados em 2016 e 2017 mostraram um breve aumento na atividade genética antes de desligar novamente.
Em seu novo estudo, a equipe do MIT descobriu que durante a mitose, é mais provável que microcompartimentos apareçam perto de genes que proliferam durante a divisão celular. Eles também descobriram que essas alças parecem ser o resultado da compactação do genoma que ocorre durante a mitose. Essa compressão aproxima intensificadores e promotores, permitindo que eles se unam para formar microcompartimentos.
Uma vez formadas, as alças que compõem os microcompartimentos podem ativar acidentalmente a transcrição genética e depois serem desligadas pela célula. Quando as células completam a divisão e entram em um estado denominado G1, muitos desses pequenos anéis tornam-se mais fracos ou desaparecem.
“Este aumento transcricional na mitose parece ser uma surpresa indesejada, causada pela criação de um ambiente excepcionalmente favorável para a formação de microcompartimentos durante a mitose”, disse Hansen. “Então, quando a célula entra em G1, ela rapidamente remove e filtra muitos desses loops.”
Como a compactação cromossómica também é afectada pelo tamanho e forma das células, os investigadores estão agora a explorar como as mudanças nestas características afectam a estrutura do genoma e, por sua vez, a regulação genética.
“Estamos considerando o contexto biológico natural em que algumas células mudam de forma e tamanho, e se podemos explicar algumas das mudanças genômicas em 3D que anteriormente não tinham explicação”, disse Hansen. “Outra questão fundamental é, ao entrar no G1, como as células escolhem quais microcompartimentos reter e quais excluir para garantir a fidelidade da expressão genética?”
A pesquisa foi financiada em parte pelos Institutos Nacionais de Saúde, um prêmio NSF CAREER, o Observatório de Regulação Genética do Broad Institute, um prêmio Pew-Stewart Cancer Research Scholar, a Fundação Mathers, o Fundo Westaway do MIT, o Instituto Koch e o Programa Dana-Farber/Harvard Cancer Center Bridge, e uma bolsa de apoio (Core) do Instituto Koch do Instituto Nacional do Câncer.
