Clodagh O'Shea concedeu US$ 3 milhões para desbloquear a "caixa preta" do núcleo

5 de outubro de 2015

Clodagh O'Shea concedeu US$ 3 milhões para desbloquear a “caixa preta” do núcleo

5 de outubro de 2015

LA JOLLA–Como parte de uma iniciativa de $ 120 milhões, de 5 anos para entender o núcleo da célula, o National Institutes of Health (NIH) concedeu mais de US$ 30 milhões a pesquisadores de San Diego, incluindo o Salk Institute e o University of California, San Diego (UC San Diego). Salk Professor Associado Clodagh O'Shea recebeu um subsídio de US$ 3 milhões ao longo de 5 anos, juntamente com a possibilidade de aproveitar um pool de oportunidades adicional de US$ 3 milhões a cada ano durante o período.

O esforço nacional, denominado 4D Nucleome Program, é um projeto de pesquisa colaborativo que consiste em seis iniciativas relacionadas, abrangendo 29 prêmios para 24 instituições nos Estados Unidos. Ao reunir físicos, engenheiros, biólogos, bioinformáticos, clínicos e outros para desenvolver novas técnicas, o programa permitirá que os pesquisadores desenvolvam novas tecnologias, recursos e dados para entender a arquitetura genética do núcleo, bem como como as aberrações contribuem para a saúde humana e doença.

Embora o genoma humano tenha sido decodificado, como o DNA – junto com as proteínas que ativam e desativam os genes – é compactado no espaço e no tempo ainda é um mistério. O DNA humano em uma única célula tem cerca de 6 metros de comprimento e se dobra com proteínas em pacotes intrincados (cromatina) para caber dentro de um núcleo.

Essa configuração espacial tem confundido os cientistas, mas contém as pistas para prevenir, diagnosticar e tratar doenças, como o câncer. Até agora, todas as imagens do DNA são extraídas do núcleo, então a estrutura dentro de uma célula viva real é perdida. Mas os avanços nas tecnologias de imagem e sequenciamento podem, pela primeira vez, permitir que os pesquisadores visualizem e meçam o que acontece nesses espaços microscópicos complexos.

“As estruturas de codificação de ordem superior do genoma humano não foram visualizadas dentro de uma célula intacta e continuam sendo um dos desafios mais intratáveis ​​da biologia”, diz O'Shea, titular da cadeira de desenvolvimento William Scandling da Salk. “Embora conheçamos a sequência do genoma humano, ainda temos que aprender o programa físico de como nosso código genético é usado.”

O'Shea e seu colaborador, Mark Ellisman (professor e diretor do Centro de Pesquisa em Sistemas Biológicos da UC San Diego e professor adjunto do Salk), já fizeram avanços de ponta neste trabalho, desenvolvendo uma técnica para essencialmente “pintar ” a superfície do DNA com um metal para que sua estrutura local e organização polimérica 3D possam ser visualizadas pela primeira vez em células e tecidos intactos. Essa técnica explora um corante que aumenta o contraste do DNA com um metal e gira uma célula em um feixe de elétrons para criar uma reconstrução 3D do genoma humano em resoluções e escalas sem precedentes – quase como uma “tomografia computadorizada” do genoma humano. O próximo passo é visualizar como os complexos de proteínas virais e celulares remodelam a cromatina no núcleo para modular a atividade gênica e os resultados na saúde, infecção, câncer e envelhecimento.

“Ao visualizar interações dinâmicas ao vivo em tempo real, obteremos uma melhor compreensão da atividade genética”, diz O'Shea. “Também determinaremos como a estrutura e a organização da cromatina são subvertidas por infecções virais e proteínas relacionadas ao câncer para conduzir a replicação patológica”.

Como co-investigadores principais da nova concessão, O'Shea e Ellisman combinarão biologia molecular e sintética, edição de genoma, modelos de última geração de câncer e infecção, química, desenvolvimento de sondas e imagens multimodais para mostrar como a estrutura da cromatina muda de estado ativo para estado silencioso na saúde, infecção, envelhecimento e câncer. Eles criarão novas sondas fluorescentes e metálicas geneticamente codificadas que funcionam como faróis para marcar e colorir genes específicos e as interações de proteínas que determinam as funções do DNA no núcleo da célula. A análise e o armazenamento desses atlas visuais do genoma serão facilitados e possibilitados pela concessão de uma doação de US$ 20 milhões à UC San Diego para abrigar e desenvolver o centro computacional e organizacional do programa. A equipe também planeja ir além de imagens amplas de DNA e proteínas para aprimorar especificamente genes individuais.

“Embora conheçamos o código de um determinado gene, não sabemos como sua estrutura e interações no núcleo podem fazer com que ele seja desativado em certos casos, por exemplo, câncer, ou quando uma célula envelhece prematuramente. Esse estado liga/desliga depende de suas interações com outras proteínas e de sua estrutura real no núcleo da célula, que muda”, diz O'Shea. “Para ver isso, precisamos de novas sondas que nos levem a um determinado gene e encontrem aquela agulha no palheiro e depois revelem sua estrutura.”

Com este prêmio, O'Shea também está desenvolvendo sondas que fariam exatamente isso: nanopartículas de metal codificadas geneticamente atuariam como faróis moleculares para iluminar e marcar genes de interesse dentro do labirinto do DNA. Isso permitirá que os pesquisadores vejam, pela primeira vez, a estrutura de um gene dentro do núcleo intacto.

“Essas inovações tecnológicas e avanços conceituais terão aplicações empolgantes que impactarão quase toda a ciência biomédica”, acrescenta O'Shea. “Este programa financiará infraestrutura crítica, inovação e suporte computacional para a integração, visualização e análise de dados necessários para interpretar os primeiros atlas visuais do genoma.”

O financiamento do NIH além do ano fiscal de 2015 está sujeito a alterações com base nas apropriações do Congresso.