Vínculo inesperado entre instabilidade cromossômica e alterações epigenéticas

O estudo resultante, publicado em 7 de junho emNaturezanão apenas abre uma nova área fértil de pesquisa básica em biologia científica, mas também tem implicações para os cuidados clínicos.

A instabilidade cromossômica tem a ver com alterações no número de cromossomos que cada célula cancerígena carrega. Alterações epigenéticas mudam que os genes são ativados ou desativados em uma célula, mas sem modificar o código de DNA da célula.

Em seu primeiro ano como estudante de doutorado em farmacologia na Weill Cornell Medicine, Albert Agustinus fez uma rotação no laboratório de Samuel Bakhoum, MD, PhD, cujo grupo de pesquisa no Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSK) estuda o câncer de cromossomos. Albert também é co-mentor pelo especialista em epigenética Yael David, PhD, cujo laboratório no Sloan Kettering Institute da MSK adota uma abordagem de biologia química para estudar a regulação epigenética da transcrição.

“Ele veio a mim e disse: ‘Estou interessado em entender o vínculo entre instabilidade cromossômica e modificações epigenéticas'”, lembra o Dr. Bakhoum. “E minha resposta a ele foi: ‘Bem, não há um link conhecido, mas você pode encontrar!'”

E encontre um que ele fez, expandindo essa investigação inicial em uma colaboração de 32 autoras e multi-instituição publicada em um dos principais periódicos da Science. O estudo foi supervisionado em conjunto por Bakhoum e David.

Recentemente, Agustinus contou seu primeiro grande momento “Aha” no projeto, para o qual ele também recebeu uma bolsa de estudos da Fundação Phrma.

Ele estava sentado ao lado de um companheiro de laboratório e olhando pelo microscópio. As células que ele estava olhando tinham pequenos mini-nucleos anormais espalhados por toda a célula-uma conseqüência comum da instabilidade cromossômica. E eles foram montados com marcadores fluorescentes que mostrariam a presença de modificações epigenéticas.

“Os micronúcleos estavam brilhando muito mais que o núcleo primário”, diz Agustinus. “Meu companheiro de laboratório me disse: ‘Eu nunca vi você sorrir tão bem antes.'”

Os cromossomos ficaram loucos

Os cromossomos são fios de DNA fortemente embalados que carregam nossas informações genéticas. Normalmente, cada uma de nossas células possui 46 cromossomos – metade de um dos pais e metade do outro. Quando uma célula se divide para fazer uma nova cópia de si, todos esses cromossomos devem acabar na nova célula, mas no câncer o processo pode dar terrivelmente errado.

“A grande questão que meu laboratório está tentando responder é como a instabilidade cromossômica impulsiona a evolução do câncer, a progressão, a metástase e a resistência a medicamentos”, diz Bakhoum. “É uma característica do câncer, especialmente cânceres avançados, onde o processo normal de divisão celular é enganado. Em vez de 46 cromossomos, você pode ter uma célula com 69 cromossomos ao lado de uma célula com 80 cromossomos”.

A sabedoria predominante no campo tem sido que as células cancerígenas aumentam sua chance de sobrevivência, embaralhando seu material genético quando se dividem. Esse processo aumenta as chances de que algumas das alterações aleatórias permitirão que uma célula filha do câncer suporta os ataques do sistema imunológico e intervenções médicas.

“Esta nova pesquisa, no entanto, sugere que isso é apenas parte da história”, diz Bakhoum.

Isso porque você pode ter duas células cancerígenas, cada uma com o mesmo número de cópias extras de um determinado cromossomo, mas cada um tem genes diferentes que são desligados ou ligados. Isto é devido a adicional epigenético mudanças.

“Nosso trabalho sugere ainda que você não precisa de mutações nos genes que codificam enzimas modificadoras epigenéticas para que as anormalidades epigenéticas ocorram. Tudo o que você precisa é ter a instabilidade cromossômica em andamento”, diz Bakhoum. “É uma descoberta inesperada, mas realmente importante. E também explica por que geralmente encontramos instabilidade cromossômica e anormalidades epigenéticas em cânceres avançados e resistentes a medicamentos, mesmo quando não há evidências dos tipos de mutações que esperamos criar causos epigenéticos”.

Lá e de volta – ou, o que os micronúcios têm a ver com câncer

Núcleos pequenos e extras em células – conhecidos como micronúcleos – como os Agustinus, a serra através do microscópio são geralmente raros e rapidamente são eliminados pelos mecanismos de reparo natural da célula. Quando você pega um monte deles, é um sinal de que algo deu terrivelmente errado, como acontece no câncer.

Como o núcleo primário de uma célula, esses micronúcleos contêm pacotes de material genético. E quando esses micronúcleos explodem – o que frequentemente fazem – isso causa ainda mais problemas, a equipe de pesquisa descobriu.

O Dr. Bakhoum usa a metáfora de um viajante que pega um sotaque estrangeiro e o traz de volta para casa. A pesquisa demonstrou que o seqüestro de cromossomos em micronúcleos interrompe a organização da cromatina – um complexo de componentes genéticos que são empacotados nos cromossomos durante a divisão celular.

Isso leva à desregulação epigenética em andamento, que continua muito depois de um micronúcle é reintegrado no núcleo primário de uma célula.

E a formação repetida e a reincorporação de micronúcleos em muitos ciclos de divisão celular leva ao acúmulo de alterações epigenéticas. Estes, por sua vez, levam a diferenças cada vez maiores entre as células cancerígenas individuais.

Quanto mais variação entre células cancerígenas individuais dentro do mesmo tumor, maior a probabilidade de algumas das células resistentes a qualquer tratamento que esteja sendo jogado contra elas – permitindo que elas sobrevivam e continuem seu crescimento descontrolado.

Analisando alterações epigenéticas

Para entender e quantificar as alterações epigenéticas que acontecem dentro das células, os pesquisadores usam uma série de experimentos sofisticados para isolar os micronúcleos e examinar as mudanças que ocorrem nelas em comparação com os núcleos primários das células. Isso lhes permitiu ver padrões de modificação de histonas – alterações nas bobinas em torno das quais os ventos de DNA, que, por sua vez, alteram o acesso aos genes subjacentes.

“Isso nos permitiu fazer algumas perguntas importantes, como realmente obtemos a transcrição de genes que são importantes em caminhos específicos?” Dr. David diz. “E a resposta é ‘sim.'”

Eles também compararam os micronúcleos intactos versus rompidos – revelando um nível ainda maior de alterações naquelas que haviam se aberto.

“Também descobrimos que havia muito mais regiões promotoras acessíveis nos micronúcleos do que nos núcleos primários”, acrescenta ela – regiões promotoras sendo sequências de DNA perto do início de um gene que ajudam a iniciar a transcrição, uma etapa crítica na expressão gênica.

Em um experimento -chave, os pesquisadores forçaram um cromossomo a sair em um micronúcle e depois permitiram que ele se reintegrou no núcleo primário. Eles compararam esse cromossomo aventureiro com um que permaneceu em pé.

“Nosso cromossomo modelo, que era cromossomo Y, mostrou mudanças substanciais em sua paisagem epigenética e acessibilidade de seu DNA”, diz David. “Isso tem implicações importantes devido ao impacto significativo que a jornada de um cromossomo em um micronúcleo tem sobre as mudanças epigenéticas do núcleo primário, que sabemos que desempenhamos um papel na progressão e evolução do tumor”.

O trabalho, ela acrescenta, abre novos caminhos de estudo.

“Agora que demonstramos que a instabilidade cromossômica e as mudanças epigenéticas estão intimamente ligadas, podemos ir mais fundo e fazer perguntas sobre como e por quê”, diz David.

Descobertas de outra equipe de pesquisa da Harvard University e do Dana-Farber Cancer Institute, e publicado em Natureza Ao mesmo tempo, encontrou evidências adicionais que apoiam as descobertas da equipe da MSK.

Implicações clínicas

Mais do que apenas lançar luz sobre as mudanças que acontecem dentro das células cancerígenas, a pesquisa também promessa para o tratamento dos pacientes, observam os pesquisadores.

As mudanças epigenéticas são uma forma reversível de regulação de genes – e várias classes de medicamentos já foram desenvolvidas para trabalhar nelas.

Portanto, para começar, a instabilidade cromossômica e a presença de micronúcleos podem ser usadas como biomarcadores para ajudar a identificar quais pacientes podem ter maior probabilidade de ser ajudada por medicamentos modificadores epigenéticos, diz Bakhoum.

Além disso, os resultados podem abrir caminho para novas abordagens terapêuticas.

“Há uma questão de saber se devemos tratar células cromossômicas instáveis ​​com essas terapias modificadoras epigenéticas”, diz ele. “Esta pesquisa demonstra que mudanças epigenéticas podem ocorrer sem que essas mutações estejam presentes”.

Além disso, o estudo também sugere que pesquisas em andamento sobre medicamentos para atingir a instabilidade cromossômica diretamente se beneficiaram de serem combinados com os esforços para suprimir as alternâncias epigenéticas, acrescenta o Dr. Bakhoum.

A longo prazo, outra avenida potencial seria explorar maneiras de direcionar os micronúcleos para impedir que eles se rompem, o que a pesquisa mostrou ser um grande impulsionador de mudanças epigenéticas, observa David.

“Acho que este é um ótimo exemplo de uma descoberta fundamental e básica de pesquisa científica que, nos próximos cinco anos, abrirá vários caminhos interessantes para exploração e tradução potencial para o cenário clínico”, diz ela.

Agustinus, cuja curiosidade iniciou todo o projeto e que liderou o esforço de pesquisa, resume -o dessa maneira: “Instabilidade cromossômica e alterações epigenéticas ajudam o câncer a alcançar uma diversidade populacional que lhes dá uma chance melhor de sobreviver e desenvolvê -los. Mas armados com um novo entendimento do relacionamento entre esses dois fenômenos, devemos ser mais capazes de segmentá -los.