Compreender como os genes são regulados em nível molecular é um desafio central na biologia moderna. Este mecanismo complexo é impulsionado principalmente pela interação entre proteínas chamadas fatores de transcrição, regiões reguladoras do DNA e modificações epigenéticas – alterações químicas que alteram a estrutura da cromatina. O conjunto de modificações epigenéticas do genoma de uma célula é denominado epigenoma.



Em um estudo publicado recentemente na Nature Genetics , cientistas do Grupo Hackett do EMBL Roma desenvolveram uma plataforma modular de edição de epigenoma – um sistema para programar modificações epigenéticas em qualquer local do genoma. O sistema permite aos cientistas estudar o impacto de cada modificação da cromatina na transcrição, o mecanismo pelo qual os genes são copiados no mRNA para impulsionar a síntese proteica.

Acredita-se que as modificações da cromatina contribuam para a regulação de processos biológicos importantes, como desenvolvimento, resposta a sinais ambientais e doenças.

Para compreender os efeitos de marcas específicas da cromatina na regulação genética, estudos anteriores mapearam a sua distribuição nos genomas de tipos de células saudáveis ​​e doentes. Ao combinar estes dados com a análise da expressão genética e os efeitos conhecidos de perturbar genes específicos, os cientistas atribuíram funções a essas marcas da cromatina.

No entanto, a relação causal entre as marcas da cromatina e a regulação genética revelou-se difícil de determinar. O desafio reside em dissecar as contribuições individuais dos muitos factores complexos envolvidos em tal regulação – marcas de cromatina, factores de transcrição e sequências reguladoras de ADN.

Cientistas do Grupo Hackett desenvolveram um sistema modular de edição de epigenoma para programar com precisão nove marcas de cromatina biologicamente importantes em qualquer região desejada do genoma. O sistema é baseado em CRISPR – uma tecnologia de edição de genoma amplamente utilizada que permite aos pesquisadores fazer alterações em locais específicos do DNA com alta precisão e exatidão.

Essas perturbações precisas permitiram-lhes dissecar cuidadosamente as relações de causa e consequência entre as marcas da cromatina e seus efeitos biológicos. Os cientistas também projetaram e empregaram um “sistema repórter”, que lhes permitiu medir mudanças na expressão genética no nível unicelular e compreender como as mudanças na sequência de DNA influenciam o impacto de cada marca da cromatina. Seus resultados revelam os papéis causais de uma série de marcas importantes da cromatina na regulação genética.

Por exemplo, os pesquisadores descobriram um novo papel para o H3K4me3, uma marca da cromatina que anteriormente se acreditava ser resultado da transcrição. Eles observaram que o H3K4me3 pode, na verdade, aumentar a transcrição por si só se for adicionado artificialmente a locais específicos do DNA.

“Este foi um resultado extremamente emocionante e inesperado que contrariou todas as nossas expectativas”, disse Cristina Policarpi, pós-doutoranda no Grupo Hackett e principal cientista do estudo. "Nossos dados apontam para uma rede regulatória complexa, na qual múltiplos fatores governantes interagem para modular os níveis de expressão gênica em uma determinada célula. Esses fatores incluem a estrutura pré-existente da cromatina, a sequência de DNA subjacente e a localização no genoma."

Hackett e seus colegas estão atualmente explorando caminhos para aproveitar essa tecnologia por meio de um empreendimento inicial promissor. O próximo passo será confirmar e expandir estas conclusões, visando genes em diferentes tipos de células e em escala. Como as marcas da cromatina influenciam a transcrição através da diversidade de genes e mecanismos a jusante também ainda precisa ser esclarecido.

“Nosso kit de ferramentas modular de edição epigenética constitui uma nova abordagem experimental para dissecar as relações recíprocas entre o genoma e o epigenoma”, disse Jamie Hackett, líder do grupo EMBL Roma. “O sistema poderia ser usado no futuro para compreender com mais precisão a importância das mudanças epigenômicas na influência da atividade genética durante o desenvolvimento e nas doenças humanas.

"Por outro lado, a tecnologia também abre a capacidade de programar os níveis desejados de expressão genética de uma maneira altamente ajustável. Este é um caminho interessante para aplicações de precisão na saúde e pode ser útil em ambientes de doenças".

Mais informações: A edição sistemática do epigenoma captura a função instrutiva dependente do contexto das modificações da cromatina, Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01706-w
Informações do diário: Genética da Natureza

Fornecido pelo Laboratório Europeu de Biologia Molecular