A pesquisa que aplica técnicas de análise de célula única e comparações com um recurso de atlas de células permitiu que pesquisadores do Babraham Institute conectassem defeitos de desenvolvimento observados causados ​​por processos interrompidos de metilação de DNA com uma compreensão dos tipos de células afetadas. Este trabalho, publicado em Genome Biology , baseia-se no trabalho anterior realizado com colaboradores para estabelecer um atlas de células detalhado que traça o destino das células durante o desenvolvimento inicial. Este trabalho contribui com novos conhecimentos importantes para a compreensão do papel da metilação do DNA durante a embriogênese, ajudando a decifrar as regras que regem o surgimento de diferentes tipos de células. A compreensão dessas regras será essencial para que os pesquisadores possam direcionar com precisão e segurança o destino das células para produzir tipos de células clinicamente relevantes para a medicina regenerativa.
A pesquisa do Reik labat do Instituto Babraham avançou nossa compreensão do papel da metilação do DNA durante os estágios iniciais de desenvolvimento. Os avanços tecnológicos neste campo, proporcionando a capacidade de coletar tipos de dados paralelos de uma única célula e a existência de referências de atlas de células e conjuntos de dados abrangentes, estão revolucionando o que sabemos sobre os processos que determinam o destino das células. Elucidar as regras de como os diferentes tipos de células são formados tem aplicações na medicina regenerativa, bem como na compreensão de distúrbios e doenças do desenvolvimento.

O apagamento e reintrodução da metilação do DNA é conhecido por ser vital no estabelecimento da identidade celular à medida que os tecidos e órgãos do embrião são formados. A deleção de enzimas-chave de metilação em camundongos causa graves defeitos de desenvolvimento e letalidade embrionária em alguns casos. Apesar da importância da metilação do DNA no desenvolvimento, os mecanismos subjacentes de como isso é alcançado são pouco compreendidos. Isso se deve a limitações nas informações que os pesquisadores poderiam coletar anteriormente para entender os efeitos das mudanças nos processos usuais de metilação do DNA no desenvolvimento, que se restringiam à análise de defeitos de desenvolvimento, imagens de amostras e análise limitada do genoma usando amostras em massa. Estes métodos não foram suficientes para resolver os efeitos ao nível dos diferentes tipos de células.

Usando camundongos onde as principais enzimas de metilação foram excluídas, pesquisadores do laboratório Reik no programa Epigenética do Instituto realizaram análise de expressão de genes de célula única no início do desenvolvimento do órgão, que ocorre no dia 8,5 após a fertilização. Utilizando o poder das abordagens de célula única, os pesquisadores conseguiram acompanhar quais tipos de células foram afetados, em termos de não serem capazes de se formar no embrião do camundongo, sugerindo os mecanismos por trás dos efeitos observados em uma escala de todo o organismo.

A pesquisa usou camundongos geneticamente modificados onde dois grupos-chave de enzimas de metilação foram deletados:linhagens de camundongos knock-out onde as DNA metiltransferases (DNMT 1, 3a e 3b) que introduzem e mantêm a metilação do DNA foram deletadas individualmente, e um sistema para investigar os efeitos de uma deleção combinada de todas as três enzimas TET (dez-onze translocação (TET) metilcitosina dioxigenases) 1/2/3), que causam desmetilação.

Dr. Stephen Clark, pesquisador sênior do laboratório Reik quando esta pesquisa foi realizada, disse:"O uso de abordagens de célula única está realmente fornecendo a resolução que precisamos para estudar a mecânica da metilação do DNA durante o desenvolvimento. para construir confirma o papel repressivo da metilação do DNA neste ponto de tempo de desenvolvimento, em primeiro lugar, que manter a metilação correta do DNA é necessário para suprimir identidades de tipos celulares anteriores e alternativos e, em segundo lugar, que a metilação do DNA precisa ser removida de partes do genoma para permitir que certas células tipos para formar."

Uma técnica chamada sequenciamento de RNA de célula única foi usada para medir a expressão gênica em todo o genoma em cada linha de camundongo. A comparação desses perfis de expressão com um conjunto de dados de referência permitiu que todos os tipos de células do embrião fossem identificados. Após essa etapa, o efeito das perturbações de metilação no destino celular pode ser avaliado comparando a composição dos embriões knock-out (onde as enzimas de metilação foram excluídas) com embriões do tipo selvagem no mesmo estágio de desenvolvimento para destacar as diferenças no tipo de célula proporções.

Os pesquisadores foram capazes de correlacionar os efeitos na formação do tipo de célula no dia 8,5 de desenvolvimento que correspondiam aos fenótipos observados e analisar as mudanças específicas do tipo de célula na expressão gênica que poderiam estar ligadas a defeitos no comprometimento do destino celular.

Dr. Ricard Argelaguet, um ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório Reik no Instituto e co-primeiro autor do artigo, disse:"A capacidade de ambos ter a perspectiva de todo o organismo e a granularidade de observar mudanças nos tipos de células e expressão gênica nos forneceu a capacidade de separar o papel da metilação e desmetilação do DNA no embrião em desenvolvimento neste momento específico para criar novos insights. Será igualmente interessante aplicar essa abordagem a momentos posteriores para entender mais sobre o papel da metilação do DNA medida que o desenvolvimento progride."

A pesquisa criou uma plataforma de dados interativa que fornece leituras de expressão gênica no nível de célula única de embriões de camundongos mutantes Dnmt e Tet.

O professor Wolf Reik, diretor do Altos Cambridge Institute of Science, que liderou a pesquisa enquanto líder de grupo no programa de Epigenética do Babraham Institute, disse:"Esta pesquisa fornece um rico recurso para investigar a conexão entre a metilação do DNA e o estabelecimento de destino da célula. Esta pesquisa se beneficiou de conjuntos de dados publicados e atlas de referência e esperamos que, por sua vez, nosso trabalho seja útil para outros pesquisadores nos campos de desenvolvimento e epigenética." + Explorar mais

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