Pesquisadores desenvolveram um método para detectar rapidamente o DNA não-codificante do genoma humano (também conhecido como ‘DNA Lixo’) e direcioná-lo para a compreensão de doenças que são impulsionadas por mudanças na regulação de genes.

A técnica poderia revolucionar a compreensão da medicina moderna sobre os riscos geneticamente herdados de desenvolver doenças cardíacas, diabetes, câncer, distúrbios neurológicos e outros, bem como levar a novos tratamentos.

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Charles Gersbach, Biomédico e Professor Associado do Biomedical Engineering na Duke University.

O estudo foi publicado no site da revista Nature Biotechnology, em 3 de abril de 2017.

“Identificar mutações únicas que causam doenças raras e devastadoras, como a distrofia muscular, tornou-se um procedimento relativamente direto”, disse Charles Gersbach, Professor Associado do Biomedical Engineering na Duke University (EUA). “Mas as doenças mais comuns que ocorrem em famílias muitas vezes envolvem muitos genes, bem como reações genéticas a fatores ambientais. É uma história muito mais complicada, e estamos querendo encontrar uma forma de entendê-la melhor. Agora nós encontramos um caminho”.

A nova técnica baseia-se no sistema de edição genética chamado CRISPR/Cas9. Originalmente descoberto como um mecanismo de defesa antiviral natural em bactérias, o sistema reconhece e abriga o código genético de invasores anteriores e, em seguida, retalha o seu DNA. Nos últimos anos, os pesquisadores aproveitaram este sistema biológico para cortar e colar com precisão sequências de DNA em organismos vivos.

No estudo atual, os pesquisadores adicionaram mecanismos moleculares que podem controlar a atividade do gene, manipulando a teia de biomoléculas que determina quais genes cada célula ativa e em que grau.

Com a nova ferramenta, Gersbach e seus colegas estão explorando os 98% do nosso código genético, muitas vezes referido como a “matéria escura do genoma”.

“Apenas uma pequena fração do nosso genoma codifica instruções para fazer proteínas que orientam a atividade celular”, disse Tyler Klann, o estudante de engenharia biomédica que liderou o trabalho no laboratório de Gersbach. “No entanto, mais de 90% das variações genéticas associadas a doenças comuns em humanos fica fora dessa fração de genes. Estamos desenvolvendo uma tecnologia para mapear a parte obscura do genoma e entender o que está acontecendo lá”.

A resposta, diz Klann, recai nos promotores e nos potenciadores. Os promotores situam-se diretamente ao lado dos genes que controlam. No entanto, os potenciadores, que modulam os promotores, podem estar em qualquer lugar, devido à complexa geometria 3D do genoma, tornando difícil discernir o que eles realmente estão fazendo.

“Se um potenciador está movendo um promotor de 10 a 20% para cima ou para baixo, isto poderia explicar logicamente uma pequena contribuição genética para doenças cardiovasculares, por exemplo”, disse Gersbach. “Com este sistema baseado em CRISPR, podemos ativar e desativar com mais precisão esses potenciadores para ver exatamente o efeito que eles têm na célula. Ao desenvolver terapias que afetem mais dramaticamente esses alvos na direção correta, poderíamos ter um efeito de impacto significativo na doença correspondente “.

Isso é ótimo para explorar as regiões do genoma que os pesquisadores já identificaram como sendo ligado a doenças, mas existem potencialmente milhões de locus no genoma cujas funções são desconhecidas. Para mergulhar fundo na escuridão do genoma, Gersbach teve a colaboração dos colegas Greg Crawford, professor associado de pediatria e genética médica, e Tim Reddy, professor assistente de bioinformática e bioestatística. Todos os três professores trabalham juntos no Duke Center for Genomic and Computational Biology.

Crawford desenvolveu uma forma de determinar quais seções do DNA estão abertas para negócios. Ou seja, quais seções não estão fechadas em pacotes bem apertados, de maneira a permitir o acesso para interações com bio mecanismos, tais como RNA e proteínas. Esses locais, os pesquisadores cogitam, são os mais suscetíveis de estarem contribuindo para a atividade de uma célula de alguma forma. Reddy vem desenvolvendo ferramentas computacionais para interpretar esses grandes conjuntos de dados genômicos.

Durante a última década, Crawford digitalizou centenas de tipos de células e tecidos afetados por várias doenças e drogas. Ele elaborou uma lista de mais de 2 milhões de locais potencialmente importantes no genoma escuro – obviamente, são muitos para serem investigados um a um. No novo estudo, Crawford, Reddy e Gersbach demonstram um método de sequenciamento de alto rendimento para investigar muitas dessas sequências genéticas potencialmente importantes em curto prazo.

Os estudos iniciais rastrearam centenas desses sites em milhões de pares de bases do genoma; agora os pesquisadores estão trabalhando para aumentar essa escala de 100 a 1000 vezes.

“Pequenas moléculas podem atingir proteínas e RNA de interferência atinge RNA, mas precisávamos de algo para chegar e modular a parte não codificada do genoma”, disse Crawford. “Até agora, não tínhamos isso.”

O método começa fornecendo milhões de sistemas CRISPR carregados em vírus, cada um visando um ponto de interesse genético diferente, para milhões de células em um único local. Depois de garantir que cada célula receba apenas um vírus, a equipe faz o sequenciamento de alterações na sua expressão gênica ou nas funções celulares.

Por exemplo, alguém pesquisando diabetes poderia fazer isso com células pancreáticas e observar as mudanças na produção de insulina. As células que mostrarem alterações interessantes são então isoladas e sequenciadas para determinar qual trecho de DNA o CRISPR afetou, revelando uma nova peça genética do quebra-cabeça da diabetes.

A técnica já está produzindo resultados, identificando elementos reguladores genéticos previamente conhecidos e também detectando alguns novos. Os resultados também mostraram que a técnica pode ser usada para ativar ou desativar os genes, o que é superior a outras ferramentas de estudos biológicos que só desligam genes.

Diferentes tipos de células também produziram resultados diferentes, mas parcialmente sobrepostos, destacando a complexidade biológica na regulação genética e doenças que podem ser questionadas com esta tecnologia.

“Agora que temos essa ferramenta, podemos entrar e anotar as funções desses trechos anteriormente desconhecidos, mas importantes de nosso genoma”, disse Gersbach. “Com tantos lugares para olhar, e a capacidade de fazê-lo rápida e fortemente, vamos, sem dúvida, encontrar novos segmentos que são importantes para a compreensão da doença, e que mostrará novos caminhos para o desenvolvimento de terapêuticas”.

Fonte: https://medicalxpress.com/news/2017-04-screening-dark-genome-disease.html#jCp

Explore mais: Controlling genes using CRISPR shows high degree of specificity

Mais informações: CRISPR–Cas9 epigenome editing enables high-throughput screening for functional regulatory elements in the human genome, Nature Biotechnologynature.com/articles/doi:10.1038/nbt.3853

Journal reference: Nature Biotechnology

Provided by: Duke University