A estrutura do núcleo de uma célula tem sido uma pista visível para saber se uma célula é saudável ou afetada por uma doença. Embora os cientistas tenham feito progressos significativos na compreensão dos genes e das suas funções, é muito mais difícil ligar diretamente o que vemos ao microscópio com o que se passa dentro do ADN. Agora, uma nova abordagem ajuda a unir estes dois mundos.
Pesquisadores liderados por Ajay Labade, Ph.D., Zachary Jiang, Ph.D., e Caroline Comenho, Ph.D., e Jason Buenrostro, Ph.D., da Universidade de Harvard, criaram uma nova tecnologia chamada sequenciamento estendido do genoma in situ (ExIGS), que envolve o sequenciamento direto do DNA dentro das células, preservando sua estrutura natural. O estudo foi publicado na revista Science.
O ExIGS permite aos pesquisadores observar o DNA e proteínas importantes dentro do núcleo, o centro de controle da célula, com detalhes extremamente precisos. Ao contrário das técnicas anteriores, esta permite aos cientistas ver realmente como estas moléculas estão dispostas no espaço e como interagem umas com as outras. A equipe usou esse método para estudar células de pacientes com Síndrome de Hutchinson-Gilford Progeria (HGPS), uma doença rara que faz com que as crianças envelheçam rapidamente.
Eles encontraram uma ligação inesperada entre a forma anormal destes núcleos e o silenciamento de certos genes. Nas células saudáveis, a eucromatina é a forma ativa e solta de DNA na qual os genes são ativados, permitindo que a célula funcione normalmente. Mas nas células da progéria, esse DNA normalmente ativo é desativado em certas áreas. Isto sugere que mudanças na forma do núcleo da célula podem ser suficientes para desligar genes importantes.
“Anormalidades na lamina estão associadas a pontos críticos de repressão anormal da cromatina, que podem perturbar a identidade celular”, disse o Dr. Buenrostro. A lâmina faz parte da camada de suporte do núcleo da célula. Isto significa que quando esta estrutura de suporte entra em colapso, pode silenciar genes que conferem à célula o seu papel único.
Para demonstrar a fiabilidade do seu método, os investigadores mostraram que o ExIGS manteve intacta a estrutura natural do núcleo da célula, ao mesmo tempo que fornecia detalhes mais nítidos – cerca de dez vezes mais do que os métodos de sequenciação anteriores. Eles combinaram isso com etiquetas fluorescentes, um método que faz moléculas específicas brilharem para que possam ser rastreadas, para entender como os cromossomos (as estruturas que contêm o DNA) se movem e como essas mudanças se relacionam com a atividade genética.
“A presença de anormalidades na lâmina está associada a um aumento na frequência de perturbações na comunidade”, disse o Dr. Labade. Ele ressalta que, embora essas anormalidades estejam claramente relacionadas a alterações na atividade genética, elas não arrastam diretamente a eucromatina em sua direção. Em vez disso, os efeitos são mais difusos e localizados, em vez de afetarem todo o núcleo de maneira uniforme.
As suas observações mostraram que mesmo dentro de uma única célula, as áreas afetadas por estas mudanças estruturais são imprevisíveis. Esses pontos problemáticos estão espalhados e muitas vezes afetam regiões do genoma (todo o conjunto de material genético envolvido na comunicação entre as células). Essa aleatoriedade pode tornar o impacto mais difícil de reparar.
Chiang refletiu sobre os anos de esforço para alcançar esse objetivo: “Este projeto começou como nada mais do que uma ideia maluca: que poderíamos sequenciar o genoma diretamente dentro do núcleo. Ele também refletiu sobre a importância do financiamento contínuo desta ciência de alto risco e alta recompensa. Embora o projecto tenha recebido as melhores notas num concurso nacional para financiamento de investigação, o apoio foi abruptamente retirado devido a questões políticas mais amplas que afectavam os orçamentos científicos.
A importância desta nova ferramenta vai muito além de uma doença. ExIGS abre a porta para explorar como as mudanças na forma e estrutura do núcleo celular desempenham um papel no envelhecimento, no câncer e em muitas outras doenças. Ele fornece uma maneira de finalmente conectar o que vemos no microscópio ao comportamento de nossos genes.
Referência do diário
Labade AS, Chiang ZD, Comenho C., Reginato PL, Payne AC, Earl AS, Shrestha R., Duarte FM, Habibi E., Zhang R., Church GM, Boyden ES, Chen F., Buenrostro JD “A expansão do sequenciamento do genoma in situ liga anormalidades nucleares a pontos críticos de repressão aberrante da eucromatina.” bioRxiv, 2024. DOI: https://doi.org/10.1101/2024.09.24.614614
Sobre o autor
Dr.Jason Buenrostro é um pesquisador líder nas áreas de regulação genética e genômica unicelular. Trabalhando na Universidade de Harvard e no Broad Institute, ele foi pioneiro em diversas técnicas para revelar como as células organizam e regulam o DNA, incluindo o método ATAC-seq amplamente adotado. O seu trabalho centra-se no desenvolvimento de técnicas que liguem a disposição espacial do genoma ao seu estado funcional, com o objetivo de compreender como estes processos funcionam mal em doenças como o cancro e o envelhecimento. Dr. Buenrostro está comprometido em educar a próxima geração de cientistas e promover um ambiente de pesquisa aberto e inovador. Sua abordagem interdisciplinar une biologia molecular, bioengenharia e ciência computacional.
Dr.Jiang Zeke é um pesquisador genômico conhecido por suas contribuições à análise genômica espacial e ao mapeamento de DNA de alta resolução de células individuais. Como cientista da Universidade de Harvard e do Broad Institute, ele desempenhou um papel fundamental no desenvolvimento do sequenciamento estendido do genoma in situ (ExIGS), um método para visualizar DNA e proteínas nucleares com precisão em escala nanométrica. Os seus interesses de investigação situam-se na intersecção do desenvolvimento tecnológico e da descoberta biológica, particularmente como as mudanças físicas nas células afectam a actividade genética. Dr. Chiang também defende um forte financiamento acadêmico e práticas de pesquisa transparentes. Anunciou recentemente a sua saída da academia, refletindo sobre os desafios de sustentar projetos ambiciosos e de longo prazo num cenário científico em constante mudança.
Dr. é biólogo molecular e inovador tecnológico especializado em sequenciamento de genoma e análise espacial de células. Em Harvard e no Broad Institute, ele co-desenvolveu o ExIGS, um novo método que permite aos cientistas estudar a organização física e funcional do genoma dentro de células intactas. Com forte foco na ciência básica e no rigor experimental, o Dr. Labade passou anos aperfeiçoando ferramentas que ligam estruturas celulares microscópicas a padrões genéticos em grande escala. Sua abordagem combina experimentos de laboratório úmido com imagens avançadas e modelagem computacional. Dr. Labade acredita firmemente no poder da ciência movida pela curiosidade e enfatiza a importância da liberdade acadêmica e do investimento de longo prazo em pesquisas de alto risco e alta recompensa.
Caroline Comênio é um cientista em ascensão no campo da genômica celular que fez contribuições significativas para o desenvolvimento da tecnologia de sequenciamento do genoma de alta resolução. No Broad Institute e na Universidade de Harvard, colaborou no desenvolvimento da plataforma ExIGS, que permite o mapeamento espacial preciso do DNA dentro do núcleo celular. O seu trabalho centra-se na compreensão de como a estrutura nuclear afecta a expressão genética, particularmente sob condições associadas ao envelhecimento e às doenças. Comenho combina experiência em biologia molecular com uma base sólida em tecnologia de imagem para ajudar a preencher a lacuna entre os dados de sequenciamento e as características visuais das células. Ela representa uma nova onda de pesquisadores impulsionados pela inovação tecnológica e pela visão biológica.
