Nova ferramenta confere edição direcionada e estável de epigenoma em células-tronco humanas

Nova ferramenta confere edição direcionada e estável de epigenoma em células-tronco humanas

A nova tecnologia Salk adiciona grupos metil em posições específicas no DNA, permitindo a correção genética direcionada de distúrbios epigenéticos aberrantes

LA JOLLA—Cientistas do Instituto Salk desenvolveram uma nova tecnologia para corrigir aberrações causadoras de doenças nas marcas químicas do DNA que afetam a forma como os genes são expressos. Esses tipos de modificações químicas, referidos coletivamente como epigenética ou epigenoma, estão sendo cada vez mais considerados tão importantes quanto a própria sequência genômica no desenvolvimento e na doença.

A nova tecnologia Salk, descrita na revista Ciência em 4 de maio de 2017, foi usado para modelar mutações no epigenoma associadas ao câncer de cólon e para restaurar padrões de metilação adequados em células-tronco derivadas de pacientes que sofrem de síndrome de Angelman (AS), um distúrbio neurodegenerativo raro frequentemente diagnosticado erroneamente como autismo. Além de modelar e tratar distúrbios epigenéticos, a tecnologia também é promissora para estudar o desenvolvimento humano e a biologia em geral.

“Estamos entusiasmados com a quantidade de novos caminhos que esse trabalho abre para entender os processos de doenças e desenvolver novas terapias eficazes”, diz Salk Professor Juan Carlos Izpisua Belmonte, autor sênior do artigo e titular da cadeira Roger Guillemin da Salk. “Foi um passo gigantesco descobrir como editar o genoma – essa tecnologia para editar o epigenoma é outro avanço.”

Laboratório de Izpisua Belmonte recentemente lançou um método para modificar genes em células que não se dividem, que constituem a maioria dos tecidos adultos. A nova técnica vai além dos genes para atingir o tipo mais comum de alteração epigenética, chamada metilação do DNA, na qual marcadores químicos chamados grupos metil se ligam ao DNA. Normalmente, essas tags marcam o gene como pronto para ser ativado ou desativado. Cada vez mais, os cientistas estão aprendendo que a metilação do DNA está envolvida em uma série de processos fisiológicos e patológicos, desde o desenvolvimento embrionário até o aparecimento de certas doenças mais tarde na vida, incluindo o câncer. Os pesquisadores descobriram maneiras de alterar o status de metilação em sequências curtas de DNA, mas ninguém foi capaz de fazer as alterações permanecerem em uma ampla faixa (um pré-requisito para a ativação ou inativação adequada do gene) até agora.

Como 80% do DNA dos mamíferos é metilado, o laboratório Izpisua Belmonte estava curioso sobre as regiões não metiladas. Paradoxalmente, essas regiões são muitas vezes ricas em potenciais locais de metilação e tendem a estar próximas de regiões de genes onde começa a transcrição da informação genética. No entanto, de alguma forma, essas regiões, chamadas de ilhas CpG, normalmente permanecem não metiladas.

Os pesquisadores levantaram a hipótese de que interferir nas ilhas CpG pode desencadear uma nova metilação. Para testar essa hipótese, a equipe primeiro usou ferramentas moleculares para inserir DNA sem CpGs na ilha próxima ao MLH1 desconfortável. MLH1 normalmente não é metilado, mas leva a um risco aumentado de câncer de cólon se for metilado. A equipe conseguiu imitar a metilação aberrante no gene do câncer de cólon como uma prova de princípio para começar a entender como a metilação anormal está associada ao câncer.

“O que é interessante sobre as ilhas CpG é que elas resistem à metilação”, diz Yuta Takahashi, pesquisador associado da Salk e primeiro autor do artigo. “Mas, ao introduzir o DNA livre de CpG, podemos anular o maquinário que o bloqueia e, em seguida, induzir a metilação do DNA de toda a ilha”.

Sabendo que eles poderiam induzir a metilação onde não deveria, a equipe tentou anexar etiquetas de metil onde elas pertencem em um genoma, mas estão faltando, como em algumas doenças. A síndrome de Angelman (AS) resulta da metilação aberrante do DNA, que causa a perda da proteína UBE3A nos neurônios. Isso leva a déficits cognitivos nos pacientes. Usando sua tecnologia, a equipe corrigiu a metilação anormal do DNA e restaurou os níveis de proteína UBE3A em células neuronais AS em um prato.

O mais emocionante, de acordo com os pesquisadores, foi o fato de que todos os padrões de metilação que eles introduziram eram estáveis ​​ao longo do tempo, o que não acontecia com outras tecnologias epigenéticas. Mesmo a remoção do DNA livre de CpG não afetou a nova metilação. A descoberta oferece uma maneira de reescrever as marcas epigenéticas nas ilhas CpG, além de fornecer informações sobre o mecanismo pelo qual as ilhas CpG são protegidas da metilação do DNA.

“É maravilhoso termos desenvolvido uma nova tecnologia que permite a edição robusta do metiloma do DNA nas ilhas CpG em células-tronco pluripotentes, o que ajudará a desenvolver terapias de substituição celular para distúrbios epigenéticos”, diz Jun Wu, cientista da equipe Salk e um dos coautores do artigo. “Mas, ao descobrir os mecanismos subjacentes à metilação do DNA, esperamos fazer ainda mais com essa tecnologia”.

Outros autores incluem Keiichiro Suzuki, Paloma Martinez Redondo, Mo Li, Hsin-Kai Liao, Min-Zu Wu, Reyna Hernández-Benítez, Tomoaki Hishida, Maxim Nikolaievich Shokhirev, Concepcion Rodriguez Esteban e Ignacio Sancho-Martinez do Salk Institute.

A obra foi financiada pela NIH-Instituto Nacional do Câncer (NCI), Fundação Chapman, e as Leona M. e Harry B. Helmsley Charitable Trust, UCAM e os votos de G. Harold e Leila Y. Mathers Charitable Foundation.