Nova tecnologia ajuda a revelar o funcionamento interno do genoma humano

O genoma é o conjunto completo de instruções genéticas, DNA ou RNA

 

Os pesquisadores da Weill Cornell Medicine e do New York Genome Center, em colaboração com a Oxford Nanopore Technologies, desenvolveram um novo método para avaliar em larga escala a estrutura tridimensional do genoma humano, ou como o genoma se dobra. O genoma é o conjunto completo de instruções genéticas, DNA ou RNA, que permitem que um organismo funcione.

Usando esse método, os pesquisadores demonstraram que a função celular, incluindo a expressão gênica, pode ser afetada por grupos de elementos reguladores que interagem simultaneamente no genoma, em vez de pares desses componentes. Suas descobertas, publicadas em 30 de maio na Nature Biotechnology, podem ajudar a esclarecer a relação entre a estrutura do genoma e a identidade celular.

“Conhecer a estrutura tridimensional do genoma ajudará os pesquisadores a entender melhor como o genoma funciona e, particularmente, como ele codifica diferentes identidades celulares”, 

disse o autor sênior Dr. Marcin Imieliński, professor associado de patologia e medicina laboratorial e genômica computacional em biomedicina computacional na Weill Cornell Medicine e membro central do New York Genome Center. 

“As maneiras que tivemos de estudar a estrutura do genoma nos deram insights surpreendentes, mas também houve limitações importantes”, disse ele.

Por exemplo, a tecnologia anterior para avaliar a estrutura tridimensional do genoma permitiu aos pesquisadores estudar com que frequência dois loci, ou locais físicos no genoma, interagem entre si. Tradicionalmente, foram observados pares de loci chamados intensificadores e promotores – componentes do genoma que interagem entre si para influenciar a expressão gênica.

As informações sobre esses pares oferecem uma visão incompleta da estrutura e função do genoma. Por exemplo, vincular um padrão de dobramento à forma como o genoma codifica uma identidade celular específica – como um fígado, pulmão ou célula epitelial – tem sido difícil, disse Imieliński, que também é membro do Instituto Englander de Medicina de Precisão e do Sandra e Edward Meyer Cancer Center na Weill Cornell Medicine. Os cientistas teorizaram que esse dobramento influencia a expressão gênica. 

“Mas como os tipos de células são codificados, particularmente na estrutura do DNA, tem sido um mistério”, disse ele.

Imieliński e sua equipe de pesquisa, incluindo o primeiro autor Aditya Deshpande, um recém-formado do Tri-Institutional Ph.D. Programa em Biologia Computacional e Medicina trabalhando no laboratório de Imieliński, desenvolveu um novo ensaio genômico e algoritmo que lhes permite estudar grupos de loci, não apenas pares.

Eles adaptaram uma tecnologia tradicional, Hi-C (captura de conformação de cromatina), que avalia uma mistura de DNA e proteína para analisar a estrutura tridimensional do genoma, ao sequenciamento de nanoporos ou sequenciamento de alto rendimento de longas e contínuas cadeias de moléculas de DNA. O ensaio resultante, que os pesquisadores chamaram de Pore-C, permitiu observar dezenas de milhões de agrupamentos de locus tridimensionais.

Eles também desenvolveram métodos estatísticos para determinar quais agrupamentos de locus eram importantes, com base em se eles interagiam cooperativamente para afetar a expressão gênica. “Muitas interações tridimensionais do genoma não são importantes”, disse Imieliński. “Nossos métodos analíticos nos ajudam a priorizar as interações de grupo que provavelmente importam para a função do genoma”. Como uma descoberta chave do estudo, os pesquisadores descobriram que os agrupamentos cooperativos mais significativos de elementos de DNA ocorreram em torno de genes associados à identidade celular.

Experimentos futuros explorarão quais agrupamentos específicos de componentes genômicos são essenciais para vários aspectos da identidade celular. A nova tecnologia também pode ajudar os pesquisadores a entender como as células-tronco, as células mestras imaturas do corpo, se diferenciam em diferentes tipos de células.

Além disso, os pesquisadores podem entender melhor as anormalidades nas células cancerígenas. “No futuro, essa tecnologia pode ser realmente útil para entender como os genomas das células cancerígenas são rearranjados e como esses rearranjos impulsionam as identidades celulares alteradas que permitem que os cânceres cresçam e se espalhem”, disse Imieliński.

Heather Lindsey é redatora freelancer da Weill Cornell Medicine.