Cientistas do Salk desenvolvem técnica para revelar
características epigenéticas das células no cérebro

Cientistas da Salk desenvolvem técnica para revelar características epigenéticas de células no cérebro

A abordagem permite o estudo simultâneo de dois níveis de regulação genética em células individuais, o que pode ajudar a esclarecer como as variações genéticas contribuem para doenças humanas

LA JOLLA—O córtex pré-frontal do cérebro, que nos dá a capacidade de resolver problemas e planejar com antecedência, contém bilhões de células. Mas entender a grande diversidade de tipos de células nesta região crítica, cada um com propriedades genéticas e moleculares únicas, tem sido um desafio.

Os cientistas sabem que grande parte dessa diversidade resulta da epigenética (como as marcas químicas no DNA), bem como de como as características epigenéticas se dobram nos cromossomos para afetar a forma como os genes são expressos.

Agora, os pesquisadores de Salk desenvolveram um método para analisar simultaneamente como os cromossomos, juntamente com suas características epigenéticas, são compactados dentro de células cerebrais humanas individuais. Uma equipe colaborativa de cientistas dos laboratórios Ecker e Dixon combinou duas técnicas de análise diferentes em um método, o que lhes permitiu identificar elementos reguladores de genes em tipos de células distintos. A obra, publicada em Nature Methods em 9 de setembro de 2019, abre caminho para uma nova compreensão de como algumas células se desregulam para causar doenças.

“Adotamos essa abordagem nova e melhor para analisar os genomas de células individuais e a aplicamos ao tecido cerebral saudável”, diz Salk Professor e Howard Hughes Medical Institute Investigator José Ecker, chefe do Laboratório de Análise Genômica e co-autor correspondente do artigo. “O próximo passo é comparar tecido normal e doente.”

Como o DNA é empacotado dentro de estruturas chamadas cromossomos no núcleo de uma célula pode desempenhar um papel crítico na função celular. E como o DNA é finalmente dobrado depende de quais seções do DNA precisam interagir umas com as outras e quais precisam ser facilmente acessíveis ao maquinário celular. A estrutura dos cromossomos funciona como uma espécie de impressão digital celular: embora diferentes tipos de células tenham a mesma sequência de DNA, eles têm diferentes estruturas cromossômicas para organizar esse DNA.

Ao mesmo tempo, modificações químicas (epigenéticas) no próprio DNA – como a adição de grupos metil a uma cadeia de DNA – também controlam o tempo e os níveis de expressão gênica. Quando um grupo metil é adicionado a um pedaço de DNA, um gene é normalmente impedido de se expressar.

No passado, os pesquisadores tiveram que usar métodos separados para determinar estruturas cromossômicas e padrões de metilação de células individuais. Em julho, por exemplo, a equipe de Ecker relatou ter desenvolvido uma nova ferramenta que poderia diferenciar os tipos de células com base apenas na estrutura do cromossomo. E em 2017, eles Células cerebrais de camundongos e humanos classificadas com base em seus padrões de metilação.

Ao fazer os experimentos separadamente, no entanto, os pesquisadores não podem determinar como a estrutura do cromossomo e os padrões de metilação podem estar relacionados. Não está claro se cada subconjunto de estruturas cromossômicas corresponde a um subconjunto de padrões de metilação. Ou se os dois conjuntos de dados, quando combinados, revelam subtipos de células com mais nuances.

Em seu novo método, chamado de sequenciamento de metil-3C de núcleo único (sn-m3C-seq), a equipe de Salk “duplo mergulho” de cada célula, coletando dados sobre a estrutura e a metilação do cromossomo ao mesmo tempo. Embora fazer o processo manualmente fosse lento e complicado, a equipe automatizou o sn-m3C-seq, permitindo que eles estudassem facilmente milhares de células. O desenvolvimento de novas abordagens para lidar com células, juntamente com novos métodos computacionais para lidar com dados, possibilitou essa nova técnica.

A equipe diz que desenvolver um método que examina esses recursos em células individuais permite que os cientistas usem certos “truques analíticos” para estudar diretamente amostras de tecido e resolver a estrutura do cromossomo e a metilação do DNA em todos os diferentes tipos de células no tecido. “Sabemos que esses recursos podem variar muito entre os tipos de células e há valor em ter os dois tipos de informações juntos nas mesmas células”, diz Jesse Dixon, um Helmsley-Salk Fellow e co-autor correspondente. “Isso realmente abre nossa capacidade de entender quais sequências reguladoras estão afetando quais genes em uma ampla variedade de tipos de células e tecidos”.

Saber quais sequências regulatórias regulam quais genes tem implicações importantes para entender como as variações genéticas podem contribuir para doenças humanas. Por exemplo, grande parte da variação genética que contribui para doenças comuns do cérebro humano, como esquizofrenia e depressão, bem como doenças não cerebrais, como doenças cardíacas, encontra-se em regiões do nosso genoma que estão distantes dos genes. Os pesquisadores dizem que, ao estudar o dobramento cromossômico em tecidos humanos reais e resolver diferentes tipos de células, esses métodos podem permitir que eles relacionem variantes genéticas causadoras de doenças com os genes que regulam, o que pode dizer mais sobre por que certas variantes contribuem para doenças e oferecem insights sobre a melhor forma de tratá-los.

Para testar o sn-m3C-seq, Ecker, Dixon e colegas aplicaram o método a mais de 4,200 células do córtex pré-frontal do cérebro humano. Embora o uso de dados apenas da estrutura cromossômica permitisse apenas a separação bruta de neurônios de não neurônios, a combinação das abordagens permitiu que os pesquisadores identificassem elementos reguladores de genes em tipos de células distintos e depois estudassem ainda mais as estruturas cromossômicas presentes em cada tipo de célula.

Além disso, a equipe percebeu relações entre os dois níveis de regulamentação que planeja estudar mais no futuro. Agora que o método está estabelecido, eles gostariam de começar a aplicá-lo a mais tipos de tecidos saudáveis ​​e doentes.

Instrumental para esse esforço será uma doação de quatro milhões de dólares que Dixon e Ecker receberam do Instituto Nacional de Pesquisa do Genoma dos Institutos Nacionais de Saúde em 6 de setembro de 2019, o que facilitará muito seus estudos de regulação genética em tecidos humanos e doenças como Câncer.

Os co-primeiros autores do artigo foram Dong-Sung Lee, Chongyuan Luo e Jingtian Zhou, todos do Salk Institute. Outros autores foram Sahaana Chandran, Angeline Rivkin, Anna Bartlett, Joseph Nery, Conor Fitzpatrick e Carolyn O'Connor, também da Salk.

O trabalho e os pesquisadores envolvidos foram apoiados pelo Howard Hughes Medical Institute, subsídios dos National Institutes of Health, Leona M. e Harry B. Helmsley Charitable Trust e Salk Institute Innovation Research Fund.

DOI: 10.1038 / s41592-019-0547-z