Doenças como o cancro e as doenças neurodegenerativas começam frequentemente com erros genéticos. Mas mesmo depois de os cientistas identificarem os genes envolvidos, continuar a ser extremamente difícil traduzir esse conhecimento em tratamentos eficazes. Muitas destas doenças estão associadas a centenas de mutações espalhadas por diferentes vias biológicas, tornando difícil compreender como funcionam em conjunto para provocar doenças.
Um novo estudo publicado em natureza Uma solução potencial é apresentada. Os pesquisadores criaram uma plataforma chamada PerturbFate que pode rastrear sistematicamente como as alterações genéticas relacionadas às doenças alteram as células e determinar para onde essas alterações convergem. Ao observar mudanças na regulação genética ao longo do tempo em células individuais, a equipa de investigação descobriu centros reguladores partilhados dos quais dependem muitas mutações diferentes. Utilizando a resistência aos medicamentos para o melanoma como caso de teste, os investigadores mostram que visar estes pontos de controlo comuns pode ajudar a superar múltiplas causas genéticas da resistência aos medicamentos.
“Estamos nos concentrando aqui na resistência aos medicamentos contra o câncer, mas na verdade este artigo começa com uma questão mais ampla: uma vez que você sabe que uma doença está associada a centenas de genes, como projetar uma terapia para atingi-la?” disse Junyue Cao, diretor do Laboratório de Genômica de Célula Única e Dinâmica Populacional. “Queríamos saber se todos esses genes diferentes poderiam ser mediados por alguns sinais compartilhados a jusante que poderíamos descobrir e direcionar”.
Desafios crescentes enfrentados pela medicina genética
Os avanços no sequenciamento genético e nas tecnologias de triagem permitiram aos cientistas identificar um grande número de mutações associadas a doenças. No entanto, este desenvolvimento traz um novo desafio importante. Os genes relacionados com doenças muitas vezes desempenham funções muito diferentes dentro das células, incluindo o controlo da actividade genética e a gestão das vias de sinalização celular. Devido a esta complexidade, tem sido difícil conceber tratamentos que abordem muitas mutações simultaneamente.
Cao suspeita que estas mutações aparentemente não relacionadas podem não agir de forma independente. Em vez disso, eles podem fluir para programas downstream compartilhados que, em última análise, determinam o comportamento da célula. Se isto fosse verdade, os cientistas não precisariam de atingir cada mutação individualmente. Eles podem se concentrar em nós reguladores comuns que controlam o processo da doença.
“Esperamos desenvolver uma tecnologia que identifique esses nós regulatórios compartilhados como alvos”, disse Cao.
Para conseguir isso, a equipe precisava de um sistema que pudesse comparar muitas disrupções genéticas simultaneamente, enquanto monitorava detalhadamente como cada disrupção genética remodelava a célula. As tecnologias existentes capturam apenas parte da imagem, muitas vezes medindo a atividade celular uma camada de cada vez ou ignorando como a atividade genética muda dinamicamente ao longo do tempo.
O estudante de graduação Zihan Xu desenvolveu o PerturbFate para superar essas limitações. A plataforma permite aos pesquisadores observar como diferentes perturbações genéticas alteram as células em tempo real, rastreando simultaneamente a acessibilidade do DNA e a produção de RNA. Como essas medições são coletadas na mesma célula, o sistema pode revelar a rede de genes que controlam o comportamento celular e identificar onde diferentes mutações produzem os mesmos efeitos a jusante.
“Esta tecnologia permite-nos perturbar centenas ou milhares de genes em paralelo e depois medir alterações moleculares detalhadas em cada célula”, disse Cao. “Isso nos permite vincular muitas perturbações genéticas diferentes aos seus efeitos a jusante e identificar nós reguladores.”
Rastreando a resistência aos medicamentos no melanoma
Para testar a plataforma, os pesquisadores recorreram ao melanoma, no qual muitas mutações diferentes podem conferir resistência ao tratamento. A equipe de pesquisa selecionou 143 genes previamente associados à resistência ao medicamento para melanoma Vemurafenib e os desativou sistematicamente nas células do melanoma.
O PerturbFate então monitora como cada interrupção altera o comportamento da célula ao longo do tempo. Ao marcar o RNA recém-produzido, os pesquisadores podem separar a atividade dos novos genes dos antigos sinais moleculares. A análise unicelular também permite rastrear quais genes estão ativos, quais regiões do DNA estão acessíveis e como essas mudanças evoluem.
Esta abordagem detalhada permite aos cientistas compreender, célula por célula, como diferentes mutações afetam a regulação genética e para onde essas vias convergem.
“Capturamos não apenas a expressão genética, mas também a dinâmica do RNA e os estados da cromatina”, disse Cao. “Isto será fundamental na identificação dos reguladores a montante que contribuem para estes estados de doença”.
Xu também criou um pipeline de análise computacional para combinar todas essas camadas de informações em redes reguladoras genéticas detalhadas. Este sistema liga mudanças iniciais na atividade do fator de transcrição a mudanças posteriores na acessibilidade do DNA, produção de RNA e padrões estáveis de expressão gênica.
Depois de examinar mais de 300 mil células, os pesquisadores descobriram que muitas mutações diferentes empurravam consistentemente as células do melanoma para o mesmo estado de resistência aos medicamentos. Quando a equipa se concentrou nos pontos de controlo regulamentares partilhados que impulsionam este estado, a resistência caiu significativamente, sugerindo que as terapias combinadas são uma estratégia promissora.
sinal de sobrevivência comum
O estudo também revelou um detalhe importante envolvendo o complexo Mediador, estrutura celular que ajuda a regular a atividade genética. Os investigadores descobriram que a perturbação de diferentes partes do mesmo complexo poderia desencadear resistência através de vias biológicas completamente diferentes. Apesar destas diferenças, estas vias convergem para o mesmo sinal de sobrevivência do melanoma, VEGFC.
Quando os investigadores bloquearam o VEGFC, as células de melanoma resistentes aos medicamentos já não conseguiam crescer.
As descobertas sugerem que mesmo doenças genéticas altamente complexas podem depender de vulnerabilidades partilhadas que podem ser alvo de tratamento. Em vez de conceber tratamentos individuais para cada mutação, os cientistas poderão concentrar-se em vias regulatórias comuns nas quais dependem múltiplas mutações.
além do câncer
Os pesquisadores tornaram públicos o laboratório e as ferramentas computacionais por trás do PerturbFate. Eles agora planejam expandir o método além das células cultivadas e aplicá-lo aos sistemas vivos.
Cao e seus colegas esperam usar a tecnologia para estudar o envelhecimento e doenças como a doença de Alzheimer, ambas áreas importantes de pesquisa em seu laboratório. O seu objetivo é descobrir vulnerabilidades comuns em doenças complexas para orientar o desenvolvimento de tratamentos mais eficazes.
“Este é apenas um ponto de partida”, disse Cao. “Agora que demonstramos esta abordagem num modelo simples, estamos a trabalhar para estendê-la aos sistemas vivos para estudar doenças mais complexas”.
