Compreender como os genes são regulados no nível molecular é um desafio central na biologia moderna. Esse mecanismo complexo é impulsionado principalmente pela interação entre proteínas chamadas fatores de transcrição, regiões reguladoras de DNA e modificações epigenéticas – alterações químicas que alteram a estrutura da cromatina. O conjunto de modificações epigenéticas do genoma de uma célula é chamado de epigenoma.
Em um estudo acabado de publicar em Genética da naturezacientistas do grupo Hackett da EMBL Roma desenvolveram uma plataforma modular de edição de epigenoma – um sistema para programar modificações epigenéticas em qualquer local do genoma. O sistema permite que os cientistas estudem o impacto de cada modificação da cromatina na transcrição, o mecanismo pelo qual os genes são copiados no mRNA para acionar a síntese de proteínas.
Pensa -se que as modificações da cromatina contribuem para a regulação dos principais processos biológicos, como desenvolvimento, resposta a sinais ambientais e doenças.
Para entender os efeitos de marcas específicas de cromatina na regulação de genes, estudos anteriores mapearam sua distribuição nos genomas de tipos de células saudáveis e doentes. Ao combinar esses dados com análise de expressão gênica e os efeitos conhecidos de genes específicos perturbando, os cientistas atribuíram funções a essas marcas de cromatina.
No entanto, a relação causal entre marcas de cromatina e regulação de genes se mostrou difícil de determinar. O desafio está em dissecar as contribuições individuais dos muitos fatores complexos envolvidos em tal regulamentação – marcas de cromatina, fatores de transcrição e sequências de DNA reguladoras.
Cientistas do grupo Hackett desenvolveram um sistema modular de edição de epigenoma para programar com precisão nove marcas de cromatina biologicamente importantes em qualquer região desejada no genoma. O sistema é baseado no CRISPR – uma tecnologia de edição de genoma amplamente usada que permite que os pesquisadores façam alterações em locais específicos de DNA com alta precisão e precisão.
Tais perturbações precisas lhes permitiram dissecar cuidadosamente as relações de causa e conseqüência entre as marcas de cromatina e seus efeitos biológicos. Os cientistas também projetaram e empregaram um ‘sistema repórter’, o que lhes permitiu medir mudanças na expressão gênica no nível de célula única e entender como as mudanças na sequência de DNA influenciam o impacto de cada marca de cromatina. Seus resultados revelam os papéis causais de uma série de marcas importantes de cromatina na regulação de genes.
Por exemplo, os pesquisadores encontraram um novo papel para o H3K4me3, uma marca de cromatina que anteriormente se acreditava ser resultado da transcrição. Eles observaram que o H3K4me3 pode realmente aumentar a transcrição por si só se adicionado artificialmente a locais específicos de DNA. “Este foi um resultado extremamente emocionante e inesperado que foi contra todas as nossas expectativas”, disse Cristina Policarpi, pós -doutorado no grupo Hackett e cientista líder do estudo. “Nossos dados apontam para uma rede regulatória complexa, na qual vários fatores governantes interagem para modular os níveis de expressão gênica em uma determinada célula. Esses fatores incluem a estrutura pré-existente da cromatina, a sequência de DNA subjacente e a localização no genoma”.
Hackett e colegas estão atualmente explorando avenidas para alavancar essa tecnologia por meio de um empreendimento promissor. A próxima etapa será confirmar e expandir essas conclusões direcionando genes em diferentes tipos de células e em escala. Como as marcas de cromatina influenciam a transcrição na diversidade de genes e mecanismos a jusante, ainda precisa ser esclarecida.
“Nosso kit de ferramentas de edição epigenética modular constitui uma nova abordagem experimental para dissecar as relações recíprocas entre o genoma e o epigenoma”, disse Jamie Hackett, líder de grupo da EMBL Roma. “O sistema pode ser usado no futuro para entender com mais precisão a importância das mudanças epigenômicas na influência da atividade gênica durante o desenvolvimento e em doenças humanas. Por outro lado, a tecnologia também desbloqueia a capacidade de programar níveis de expressão gênica desejados de maneira altamente ajustável. Esta é uma avenida emocionante para aplicações de saúde de precisão e pode provar que são úteis em ambientes de doenças”.