Como um nariz lembra que é um nariz? Ou um olho lembra que é um olho?
À medida que os cientistas investigam a questão de como as células se lembram de que tipo de células deveriam ser, ou sua linhagem genética, é importante entender como as células expressam diferentes genes sem alterar a própria sequência de DNA.

Mas estudar esse assunto é difícil:os pesquisadores podem purificar as proteínas que impulsionam a expressão genética, colocá-las em um tubo de ensaio e vê-las se ligarem. Mas fazê-lo dentro do núcleo das células, seu ambiente nativo, tem sido até agora impossível.

Agora, uma equipe de pesquisadores de três laboratórios da Universidade de Michigan conseguiu rastrear como uma proteína se liga ao seu substrato de cromatina dentro de uma célula viva, estabelecendo uma colaboração que combina imagens de ultra alta resolução de última geração, proteínas sintéticas projeto e modelagem computacional. Seus resultados são publicados em Science Advances .

"A questão biológica que estamos fazendo é:'Como as células realmente se lembram de experiências passadas? E como essas experiências também levam as células a estabelecer identidades distintas, como acontece no caso do corpo humano, onde você tem linhagens de células que formam neurônios, ou células sanguíneas, ou células cerebrais, e todos realmente mantêm suas identidades por muitas gerações'", disse o principal autor Kaushik Ragunathan, professor assistente de química biológica na U-M Medical School.

"Um exemplo em que gosto de pensar é que, se você cortar o nariz, não terá uma mão crescendo lá, mesmo que o genoma no nariz e o genoma na mão sejam exatamente os mesmos."

As células controlam como e quais genes são expressos a partir de uma cópia da sequência de DNA contida em cada célula, apesar de essa sequência ser a mesma em todas as células do corpo. Uma maneira de controlar a expressão é alterando o quão firmemente o DNA é empacotado dentro do núcleo usando proteínas chamadas "histonas". As histonas podem ser modificadas através da adição de pequenas etiquetas químicas que regulam o quão firmemente o DNA é enrolado em torno delas e, portanto, se os genes podem ser expressos.

As proteínas que têm a capacidade de ler, escrever e apagar essas marcas de histonas exploram o DNA dentro do núcleo da célula muito rapidamente – na ordem de milissegundos, de acordo com Ragunathan. Em última análise, toda essa informação epigenética precisa ser herdada ao longo das gerações, mas o reconhecimento dessas marcas é um processo complicado que envolve a ligação da cromatina e as proteínas se encontrando e interagindo umas com as outras em meio ao caos de todas as outras possíveis interações concorrentes dentro da célula.

Ser capaz de entender cada etapa do processo - e, portanto, permitir o controle de como a informação epigenética é herdada - intrigou a coautora Julie Biteen, professora de química e biofísica.

Biteen usa imagens de fluorescência de molécula única para rastrear proteínas individuais dentro das células. Seu laboratório pode ver onde essas proteínas estão em relação à cromatina, e a experiência de Ragunathan está nos mecanismos moleculares que sustentam como as modificações das histonas e as proteínas de ligação às histonas interagem. Esses dois mundos precisavam se unir para que a bioquímica do que acontece em um tubo de ensaio fora das células pudesse ser testada para descobrir o que acontece dentro delas.

"O momento deste processo é extremamente importante para garantir que os genes certos sejam silenciados no lugar certo e na hora certa", disse Biteen. "O que me prendeu neste projeto é que in vitro - em um tubo de ensaio - você pode purificar duas proteínas, vê-las se ligarem e ver quão boa é essa ligação, ou qual é a afinidade uma pela outra. Isso diz o que pode acontecer em as células, mas não o que acontece nas células."

Biteen e Ragunathan trabalharam com Peter Freddolino, professor associado de química biológica e medicina computacional e bioinformática na U-M Medical School, para combinar modelagem computacional com seus resultados experimentais.

“É aqui que nossa colaboração se torna realmente poderosa”, disse Biteen. "Por um lado, ver as moléculas é muito útil e saber a rapidez com que as moléculas se movem ajuda muito em termos de entender o que é possível dentro da célula, mas aqui poderíamos dar um salto adiante perturbando o sistema, mesmo de maneiras não naturais, para entender o que esses diferentes movimentos de moléculas na célula realmente significam."

Embora as marcas epigenéticas sejam tremendamente importantes para a manutenção de diferentes tecidos em organismos complexos como os humanos, elas também desempenham um papel importante na regulação de genes de organismos unicelulares, como leveduras. A equipe se concentrou em um tipo de proteína HP1 em células de levedura chamada Swi6. Essa família de proteínas se liga a um tipo específico de modificações de histonas na célula para forçar o silenciamento do gene. Ao integrar rótulos fluorescentes com Swi6, o laboratório de Bitee observou Swi6 se mover dentro do núcleo da célula.

Enquanto o Swi6 procura o sítio de ligação correto no DNA, ele se move rapidamente, disse Biteen. Quando encontra seu alvo, diminui significativamente. O movimento de uma proteína dentro da célula é semelhante às engrenagens de um carro e as coisas podem se mover em velocidades diferentes com base em com quem as proteínas interagem.

"A partir dessas faixas de espaguete que colocamos dentro da cela, descobrimos quanto tempo eles estão gastando procurando e quanto tempo eles passam presos", disse Biteen. “A quantidade de tempo que eles passam sem se mover nos diz o quão forte eles estão interagindo e suas propriedades bioquímicas”.

Enquanto o laboratório de Biteen pode medir movimentos na célula na escala de dezenas de milissegundos, grande parte da bioquímica que acontece na célula está acontecendo ainda mais rápido, disse ela. Freddolino pegou essas informações experimentais e desenvolveu modelos para estimar a capacidade das proteínas Swi6 de saltar entre os estados de ligação que foram identificados nos experimentos.

A modelagem de Freddolino levou em conta as medidas experimentais e as possíveis propriedades bioquímicas, que incluem como as moléculas Swi6 interagem na célula. Essas interações incluem moléculas que flutuam livremente na solução da célula, moléculas que se ligaram ao DNA e moléculas que estão "de mãos dadas" umas com as outras, disse ele.

"Meu laboratório queria criar um modelo mais refinado que estimasse qual era o conjunto mais provável de estados moleculares das proteínas e sua capacidade de pular entre esses estados, que daria origem aos dados de imagem criados pelo laboratório de Biteen. ", disse Freddolino.

"Ter esse modelo numérico nos permite fazer os experimentos computacionais do que acontece se a ligação da proteína for duas vezes mais rápida do que pensamos. E se for 10 vezes mais rápida do que pensamos? Ou 10 vezes mais lenta? Muito felizmente, neste caso, pudemos mostrar que os processos relevantes estavam realmente sendo capturados na microscopia de fluorescência."

Depois de identificar as propriedades de ligação do Swi6 natural, os pesquisadores testaram suas descobertas redesenhando o Swi6 de seus componentes para ver se eles poderiam replicar algumas de suas propriedades bioquímicas, disse Ragunathan. Isso permitiu que os pesquisadores determinassem que a imagem e a modelagem conduzidas na primeira parte do artigo refletem como a proteína estava se ligando em seu ambiente nativo.

"Podemos fazer o que a natureza fez ao longo de milhões de anos e produzir uma proteína que, em muitos aspectos, tem propriedades semelhantes às do Swi6 nas células?" disse Ragunathan. "A bioquímica in vivo, que é como decidimos chamar isso, não era algo que se pensava ser possível dentro de células vivas, mas mostramos que isso é totalmente viável usando a imagem como modalidade. Estamos usando este projeto como base para entender como esses estados epigenéticos podem ser estabelecidos e mantidos ao longo das gerações." + Explorar mais

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