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Imagens 4-D mostram detalhes do genoma humano

Estudo da arquitetura da dupla hélice revela sutil orquestração genética da vida

Olena Shmahalo/Quanta Magazine. Glóbulo, cortesia de Miriam Huntley, Rob Scharein, e Erez Lieberman Aiden
O genoma se comprime no núcleo de um jeito consistente com a estrutura de um glóbulo fractal, mostrado aqui: um estado de polímero extraordinariamente denso, mas inteiramente desemaranhado, sem nós.

 
Por Ivan Amato e Quanta Magazine

Os núcleos de meio milhão de células humanas poderiam caber todos dentro de uma única semente de papoula; embora cada um deles abrigue um mecanismo genômico incrivelmente vasto, pelo menos do ponto de vista molecular.

Cada núcleo tem bilhões de componentes, ou peças; muitas delas utilizadas para ativar e silenciar genes — um sistema que permite a especialização de células individuais como células cerebrais, cardíacas e cerca de outros 200 tipos diferentes.

Além disso, o genoma de cada célula é um twitter com milhões de peças móveis que se deslocam em massa por todo o núcleo, prendendo-se aqui e ali para ajustar o programa genético. De vez em quando, a própria máquina genômica se replica.

No coração do mecanismo liliputiano do genoma humano encontram-se os dois metros de DNA necessários para conter os 3 bilhões de letras genéticas, ou nucleotídeos, de uma pessoa.

Estique todos os genomas em todos os trilhões de células de seu corpo e você teria a distância equivalente a 50 viagens de ida e volta ao Sol, compara Tom Misteli, chefe de biologia celular do grupo de genomas no Instituto Nacional do Câncer, em Bethesda, Maryland.

Desde 1953, quando James Watson e Francis Crick revelaram a estrutura do DNA, pesquisadores fizeram progressos espetaculares em soletrar, ou decifrar, essas letras gênicas.

Mas esse modo de ver esse magnífico sistema de armazenamento de informações não revela quase nada sobre o que faz com que genes específicos se liguem ou desliguem em momentos distintos, em diferentes tipos de tecidos, e em períodos diferenciados do dia ou da vida de uma pessoa.

Para desvendar esses processos, precisamos entender como essas letras gênicas se espiralam, enrolam, dobram em laçadas, agregam em domínios e glóbulos coletivamente; e, de modo geral, presumir uma arquitetura que abrange todo o núcleo.

“A beleza do DNA fez as pessoas se esquecerem das estruturas de escalas mais abrangentes do genoma”, sintetizou Job Dekker, um biólogo molecular da Faculdade de Medicina da University of Massachusetts em Worcester que construiu algumas das ferramentas mais significativas para desvendar a geometria genômica.

“Agora estamos voltando para estudar a estrutura do genoma porque nos demos conta de que a arquitetura tridimensional do DNA nos dirá como as células de fato usam as informações. Tudo no genoma só faz sentido em 3-D”.

Arqueólogos genômicos como Dekker inventaram e aplicaram técnicas de escavação molecular para descobrir a arquitetura do genoma na esperança de finalmente discernirem como toda essa estrutura ajuda a orquestrar a vida na Terra.

Ao longo da última década mais ou menos, eles têm exposto uma hierarquia aninhada de motivos estruturais em genomas que são tão elementares para a identidade e atividade de cada célula como a própria dupla hélice.

Um microscópio gênico melhor

A análise mais minuciosa e detalhada da máquina genômica levou tempo para se consolidar.

Em meados do século 17, o microscopista britânico pioneiro Robert Hooke inventou a palavra cell, ou célula, como resultado de suas observações de uma fina fatia de cortiça. Os pequenos compartimentos que viu, o fizeram lembrar-se dos apertados cômodos de monges — suas celas.

Em 1710, Antonie van Leeuwenhoek detectou minúsculos compartimentos no interior de células; mas foi o botânico escocês Robert Brown, descobridor do famoso movimento browniano, que cunhou a palavra nucleus, ou núcleo, para descrever esses compartimentos no início da década de 1830.

Meio século depois, em 1888, o anatomista alemão Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz olhou por seu microscópio e decidiu usar a palavra cromossomo, que quer dizer “corpo colorido”, para os diminutos filamentos absorsores de corantes que ele e outros podiam ver dentro de núcleos com auxílio dos melhores microscópios da época.

Durante o século 20, biólogos descobriram que o DNA em cromossomas, e não os seus componentes proteicos, é a encarnação molecular de informação genética. A soma total do DNA contido nos 23 pares de cromossomas é o genoma.

Mas como esses cromossomos se combinavam continuou sendo em grande parte um mistério.

Então, no início da década de 90, Katherine Cullen e uma equipe da Vanderbilt University desenvolveram um método para fundir artificialmente pedaços de DNA que estão próximos no núcleo. Essa façanha seminal permitiu analisar a estrutura ultra dobrada (comprimida) do DNA ao simplesmente ler sua sequência.

Essa abordagem foi sendo aprimorada ao longo dos anos e, uma de suas iterações mais recentes, chamada Hi-C, possibilita mapear a dobradura de genomas inteiros.

O primeiro passo em um experimento Hi-C é tratar uma amostra de milhões de células com formaldeído, que tem o efeito químico de fazer ligações cruzadas de filamentos de DNA sempre que dois deles estejam próximos um do outro.

Esses dois fragmentos podem estar a certa distância ao longo do mesmo cromossomo que se dobrou para trás sobre si mesmo, ou eles podem estar em cromossomos separados, mas adjacentes.

Em seguida, pesquisadores fragmentam os genomas, colhem os milhões de pedacinhos entrecruzados, e sequenciam o DNA de cada fragmento.

Esses pedaços sequenciados são como close-ups dos contatos DNA-DNA no genoma 3-D.

Pesquisadores mapeiam esses fragmentos em dados sequenciais existentes do genoma mais abrangente para criar uma lista de seus pontos de contato. Os resultados desse exercício de correspondências são mapas surpreendentemente ricos em dados, parecidos com colchas de retalhos de quadrados aninhados, de diferentes tamanhos e codificados por cor, que especificam a probabilidade de quaisquer dois segmentos de um cromossomo (ou até de dois segmentos de um genoma inteiro) estarem fisicamente perto uns dos outros no núcleo.

Até agora, a maioria dos dados Hi-C retrata um mapa de contato médio utilizando pontos de contato reunidos de todas as células na amostra. Mas pesquisadores começaram a manipular a técnica de tal forma que agora eles podem colher os dados de células individuais.

A capacidade emergente disso poderia levar às reproduções em 3-D mais precisas até agora de cromossomos e genomas dentro de núcleos.

Além disso, Erez Lieberman Aiden, diretor do Centro de Arquitetura Genômica da Baylor College of Medicine, e seus colegas recentemente catalogaram contatos DNA-DNA em núcleos intactos, em vez de em DNA que havia sido extraído anteriormente de núcleos, um passo que acresce incerteza aos dados.

Os mapas de contato de resolução mais alta permitem que pesquisadores distingam características estruturais genômicas na escala de 1.000 letras genéticas, uma resolução cerca de mil vezes mais precisa que antes.

É como olhar diretamente embaixo do capô de um carro, em vez de semicerrar os olhos e se esforçar para enxergar o motor de uma distância de alguns quarteirões.

Os pesquisadores publicaram suas imagens de nove tipos de células, inclusive células cancerosas de humanos e camundongos, na edição de 18 de dezembro de 2014 do periódico científico Cell.

O poder de laçadas

Empregando sofisticados algoritmos para analisar os centenas de milhões e, em alguns casos, bilhões de pontos de contato nessas células, Aiden e seus colegas podiam ver que esses genomas se contorcem em cerca de 10 mil laçadas (ou voltas).

Biólogos celulares sabiam da existência de laçadas genômicas há décadas, mas até recentemente não tinham sido capazes de analisá-las com o nível de resolução molecular e detalhe possível agora.

Esses laços, ou meandros, cujas formas fluidas Dekker compara a “serpentes completamente enroladas”, revelam maneiras inéditas com que a arquitetura em grande escala do genoma pode influenciar como genes específicos ligam e desligam, explicou Miriam Huntley, uma estudante de doutorado na Harvard University e coautora do artigo em Cell.

Nos diferentes tipos de células, as laçadas, ou voltas, começam e terminam em localizações cromossômicas distintas e específicas, de maneira que o genoma de cada linha celular parece ter uma população única de laçadas. E essa diferenciação poderia fornecer uma base estrutural para ajudar a explicar como células com o mesmo genoma geral, podem se diferenciar mesmo assim em centenas de tipos celulares diferentes.

“A arquitetura em 3-D está associada a qual programa a célula executa”, esclareceu Aiden.

O que essas laçadas fazem?

Misteli as imagina “balançando na brisa” dentro do interior fluido do núcleo. À medida que elas se aproximam e afastam umas das outras, outras proteínas podem entrar rapidamente e estabilizar a estrutura transitória da laçada.

Nesse momento, um tipo particular de proteína chamada um ativador de transcrição pode dar início ao processo molecular pelo qual um gene é ligado.

Misteli acredita que cada tipo celular, do fígado ou do cérebro, por exemplo, poderia ter uma rede de assinaturas dessas interações de laçada para laçada. Essas estruturas poderiam determinar quais genes são ativados e quais são silenciados.

Mas os pesquisadores ressaltam cautelosamente que só encontraram associações entre estrutura e função; e que, portanto, ainda é muito cedo para saber ao certo se uma gera a outra, e em que direção aponta a seta causal.

Enquanto cotejavam seus dados sobre interações interlaçadas, Aiden, Huntley e seus colegas também foram capazes de discernir meia-dúzia de características estruturais maiores no genoma chamadas subcompartimentos.

Aiden se refere a elas como “vizinhanças espaciais no núcleo”, equivalentes nucleicos ao centro de Nova York ou Greenwich Village. E, assim como pessoas transitam rumo a um ou outro bairro, diferentes segmentos, ou trechos, de cromossomos têm uma espécie de código de endereçamento postal molecular para certos subcompartimentos e tendem a deslizar na direção deles.

Esses códigos são escritos em cromatina, a mistura de DNA e proteínas que compõe os cromossomos.

Cromatina é construída quando DNA se enrola ao redor de milhões de estruturas proteicas parecidas com carreteis, chamadas nucleossomos. (Esse enrolamento é a razão por que dois metros de DNA podem se comprimir dentro de núcleos com diâmetros de apenas um tricentésimo de milésimo de largura.)

Um grande elenco de jogadores biomoleculares refina diferentes faixas dessa contorcida cromatina em formas mais fechadas ou abertas. Partes itinerantes da máquina genômica podem acessar melhor as seções abertas e, portanto, têm uma chance melhor de ligar os genes localizados ali.

A imagem hierárquica cada vez mais detalhada do genoma que pesquisadores como Dekker, Misteli, Aiden e seus colegas têm construído funciona mais ou menos da seguinte forma:

Nucleotídeos se reúnem na famosa dupla hélice do DNA. A hélice se enrola em nucleossomos para formar cromatina, que por sua vez se enrola e enrola em formações similares ao o que você obtém quando fica torcendo as duas extremidades de uma corda. Em meio a tudo isso, a cromatina se isola ou desvia aqui e ali em milhares de laçadas, ou meandros. Essas voltas, tanto no mesmo cromossomo como em cromossomos diferentes, se engajam mutuamente em subcompartimentos.

À medida que pesquisadores ganham gradualmente mais insight sobre a hierarquia genômica de estruturas, eles chegarão mais perto de descobrir como essa maravilha macromolecular funciona em toda a sua vastidão e detalhes mecânicos.

O National Institutes of Health (NIH) lançou um programa de cinco anos e US$ 120 milhões chamado 4D Nucleome (Nucleoma 4-D, em tradução literal) que certamente criará uma dinâmica na comunidade de pesquisa nuclear-arquitetural. 

Uma iniciativa similar está sendo lançada na Europa.

A meta do programa do NIH, conforme descrito em seu site, é “compreender os princípios por trás da organização tridimensional do núcleo no espaço e no tempo (a quarta dimensão), o papel que a organização nuclear desempenha em expressão gênica e função celular, e como alterações na organização nuclear afetam o desenvolvimento normal, assim como várias doenças”.

Ou, como observa Dekker animado: “Ele [o programa] finalmente nos permitirá ver o genoma vivo em ação, e isso, em última análise, nos revelaria como ele realmente funciona”.

 

Reproduzido com permissão de Quanta Magazine, uma divisão editorialmente independente da SimonsFoundation.org, cuja missão é melhorar a compreensão pública de ciência ao cobrir desenvolvimentos e tendências de pesquisa em matemática e nas ciências físicas e da vida.

 

De Quanta Magazine (encontre a matéria original aqui_em inglês).

Publicado em Scientific American em 12 de março de 2015.