Os cientistas finalmente leram o código oculto do DNA que molda a doença
Durante séculos, os cientistas notaram que certas doenças parecem passar de uma geração para outra, o que foi observado pela primeira vez por Hipócrates, que observou que certas doenças “ocorriam em famílias”. Ao longo do tempo, os investigadores melhoraram constantemente a sua capacidade de rastrear as raízes biológicas destes padrões herdados no genoma humano.
Uma equipe de pesquisadores e colaboradores do EMBL desenvolveu agora uma ferramenta que leva a análise unicelular a um novo nível. Ele pode capturar variantes genéticas e RNA dentro da mesma célula, proporcionando maior precisão e escalabilidade do que as tecnologias anteriores. Esta abordagem permite aos cientistas identificar variações em regiões não codificantes do ADN, regiões frequentemente associadas a doenças, dando-lhes uma nova forma de investigar como as variações genéticas contribuem para a saúde humana. Com a sua precisão e capacidade de processar um grande número de células, a ferramenta representa um passo importante na ligação de variantes genéticas específicas aos resultados de doenças.
“Este tem sido um problema de longo prazo porque os atuais métodos unicelulares para análise de DNA e RNA na mesma célula têm eficiência limitada, falta de sensibilidade e complexidade”, disse Dominik Lindenhofer, principal autor do novo artigo sobre SDR-Seq. Métodos naturais e Pós-Graduação no Grupo Steinmetz da EMBL. “No nível de célula única, você pode ler variações em milhares de células, mas apenas se elas forem expressas – apenas a partir de regiões codificadas. Nossa ferramenta funciona onde quer que estejam as variações, fornecendo números de célula única que analisam amostras complexas.”
Uma distinção importante entre partes simbólicas e não simbólicas
O DNA contém regiões codificantes e não codificantes. As partes de codificação funcionam como manuais de instruções porque seus genes são expressos em RNA, que orienta as células a produzirem proteínas essenciais à vida.
As regiões não codificantes, por outro lado, contêm elementos reguladores que orientam o modo como as células crescem e funcionam. Mais de 95% das variantes de DNA ligadas a doenças ocorrem nessas regiões não codificantes, mas os métodos unicelulares existentes carecem de sensibilidade ou escala para estudá-los efetivamente. Até agora, os investigadores não conseguiram monitorizar o ADN e o ARN da mesma célula em grande escala, limitando a compreensão de como as variantes do ADN afectam a função genética e contribuem para doenças.
“Neste espaço não codificado, sabemos que existem variantes associadas a doenças cardíacas congênitas, autismo e esquizofrenia que não foram tão estudadas, mas certamente não são doenças como esta”, disse Lindenhofer. “Precisamos de uma ferramenta para realizar esse estudo para entender quais variantes estão ativas em seu ambiente genético endógeno e como contribuem para a progressão da doença”.
Compreendendo códigos de barras para rastrear células únicas
Para realizar o sequenciamento de DNA-RNA unicelular (STR-seq), os pesquisadores usaram minúsculas gotículas de óleo-água, cada uma contendo uma única célula, o que lhes permitiu analisar DNA e RNA simultaneamente. Este método permitiu-lhes examinar milhares de células numa única experiência e vincular alterações genéticas diretamente a padrões de atividade genética. A superação de grandes desafios para desenvolver esta tecnologia reuniu equipes das Divisões de Biologia do Genoma e Biologia Estrutural e Computacional do EMBL, da Escola de Medicina da Universidade de Stanford e do Hospital Universitário de Heidelberg.
Colaboradores dos grupos Judith Zaugg e Kyung-Min Noh do EMBL desenvolveram uma maneira de preservar o delicado RNA “consertando” células, enquanto os biólogos computacionais do grupo de Oliver Stegle projetaram um programa especial para codificar o complexo sistema de código de barras do DNA necessário para a análise de dados. Embora este software de decodificação tenha sido desenvolvido para este projeto específico, a equipe acredita que será valioso para muitos outros estudos.
Pesquisadores dos grupos de Wolfgang Huber e Sasha Dietrich da EMBL e da Universitätsklinikum Heidelberg já estavam analisando amostras de linfoma de células B para outros estudos. Estas amostras de pacientes, ricas em variantes genéticas, forneceram um caso de teste ideal para a nova tecnologia. Usando estes modelos, Lindenhofer analisou como as variações no ADN estavam ligadas aos processos de doença e descobriu que as células cancerígenas com mais variações exibiam sinais de ativação mais fortes que apoiavam o crescimento do tumor.
“Usamos essas minúsculas câmaras de reação para estudar DNA e RNA na mesma célula”, disse Lindenhofer. “Isso nos permite dizer com precisão se uma variante está presente em uma ou duas cópias de um gene e medir seus efeitos na expressão gênica nas mesmas células. Com células de linfoma de células B, conseguimos mostrar que, dependendo da composição diferente das células, elas pertencem a diferentes estados celulares.”
Múltiplas oportunidades em uma única ferramenta de classificação de células
A ferramenta SDR-seq agora oferece aos biólogos genéticos escala, precisão e velocidade para compreender melhor as variações genéticas. Embora isto possa eventualmente desempenhar um papel no tratamento de uma vasta gama de doenças complexas, pode primeiro ajudar a desenvolver melhores ferramentas de rastreio para o diagnóstico.
“Temos uma ferramenta que pode vincular variantes a doenças”, disse Lars Steinmetz, autor sênior do artigo, líder do grupo EMBL e professor de genética na Faculdade de Medicina da Universidade de Stanford. “Esta capacidade abre uma ampla gama de biologia que podemos agora detectar. Significa que se pudermos compreender melhor como as variantes realmente controlam a doença e o processo da doença, teremos uma melhor chance de intervir e tratá-la.”
