Nos cromossomos humanos, o DNA érevestido por protea­nas para formar um corda£o de contas extremamente longo. Essa “corda” édobrada em várias ala§as, que se acredita ajudar as células a controlar a expressão gaªnica e facilitar o reparo do DNA, entre outras funções. Um novo estudo do MIT sugere que esses loops são muito dina¢micos e de vida mais curta do que se pensava anteriormente.

No novo estudo, os pesquisadores conseguiram monitorar o movimento de um trecho do genoma em uma canãlula viva por cerca de duas horas. Eles viram que esse trecho foi totalmente enrolado por apenas 3 a 6 por cento do tempo, com o loop durando apenas cerca de 10 a 30 minutos. As descobertas sugerem que a compreensão atual dos cientistas de como as ala§as influenciam a expressão gaªnica pode precisar ser revisada, dizem os pesquisadores.

“Muitos modelos em campo foram essas imagens de loops esta¡ticos que regulam esses processos. O que nosso novo artigo mostra éque essa imagem não estãorealmente correta”, diz Anders Sejr Hansen, Professor Assistente de Desenvolvimento de Carreira Underwood-Prescott de Engenharia Biola³gica no MIT. “Sugerimos que o estado funcional desses doma­nios seja muito mais dina¢mico.”

Hansen éum dos principais autores do novo estudo, juntamente com Leonid Mirny, professor do Instituto de Engenharia e Ciência Manãdica do MIT e do Departamento de Fa­sica, e Christoph Zechner, lider de grupo do Instituto Max Planck de Biologia Celular Molecular e Genetics em Dresden, Alemanha, e o Centro de Biologia de Sistemas Dresden. A pa³s-doutoranda do MIT Michele Gabriele, o recente doutorado da Universidade de Harvard Hugo Branda£o e o estudante de pós-graduação do MIT Simon Grosse-Holz são os principais autores do artigo, que aparece hoje na revista Science .

Usando simulações de computador e dados experimentais, cientistas, incluindo o grupo de Mirny no MIT, mostraram que os loops no genoma são formados por um processo chamado extrusão, no qual um motor molecular promove o crescimento de loops progressivamente maiores. O motor para sempre que encontra um “sinal de pare” no DNA. O motor que expulsa essas ala§as éum complexo proteico chamado coesina, enquanto a protea­na ligada ao DNA CTCF serve como sinal de parada. Essas ala§as mediadas por coesina entre os locais CTCF foram observadas em experimentos anteriores.

No entanto, esses experimentos ofereceram apenas um instanta¢neo de um momento no tempo, sem informações sobre como os loops mudam ao longo do tempo. Em seu novo estudo, os pesquisadores desenvolveram técnicas que lhes permitiram marcar com fluorescaªncia os locais de DNA CTCF para que pudessem visualizar os loops de DNA durante várias horas. Eles também criaram um novo manãtodo computacional que pode inferir os eventos de loop dos dados de imagem.

“Esse manãtodo foi crucial para distinguirmos sinal de rua­do em nossos dados experimentais e quantificar o looping”, diz Zechner. “Acreditamos que essas abordagens se tornara£o cada vez mais importantes para a biologia a  medida que continuamos a aumentar os limites da detecção com experimentos”.

Os pesquisadores usaram seu manãtodo para obter imagens de um trecho do genoma em células-tronco embriona¡rias de camundongos. “Se colocarmos nossos dados no contexto de um ciclo de divisão celular, que dura cerca de 12 horas, o loop totalmente formado são existe por cerca de 20 a 45 minutos, ou cerca de 3 a 6 por cento do tempo”, diz Grosse-Holz. .

“Se o loop estiver presente apenas por um período tão pequeno do ciclo celular e de vida muito curta, não devemos pensar nesse estado totalmente em loop como sendo o regulador prima¡rio da expressão gaªnica”, diz Hansen. “Achamos que precisamos de novos modelos de como a estrutura 3D do genoma regula a expressão gaªnica, o reparo do DNA e outros processos funcionais a jusante”.

Embora os loops totalmente formados fossem raros, os pesquisadores descobriram que os loops parcialmente extrudados estavam presentes em cerca de 92% das vezes. Esses loops menores foram difa­ceis de observar com os manãtodos anteriores de detecção de loops no genoma.

“Neste estudo, integrando nossos dados experimentais com simulações de polímeros, agora conseguimos quantificar as extensaµes relativas dos estados sem loop, parcialmente extrudado e totalmente em loop”, diz Branda£o.

“Como essas interações são muito curtas, mas muito frequentes, as metodologias anteriores não conseguiam capturar totalmente sua dina¢mica”, acrescenta Gabriele. “Com nossa nova técnica, podemos comea§ar a resolver transições entre estados totalmente em loop e sem loop.”

Os pesquisadores levantam a hipa³tese de que esses loops parciais podem desempenhar papanãis mais importantes na regulação do gene do que os loops totalmente formados. As fitas de DNA correm umas nas outras a  medida que as ala§as comea§am a se formar e depois se desfazem, e essas interações podem ajudar elementos reguladores, como intensificadores e promotores de genes, a se encontrarem.

“Em mais de 90% das vezes, hálguns loops transita³rios, e presumivelmente o importante éter esses loops que estãosendo extrudados perpetuamente”, diz Mirny. “O processo de extrusão em si pode ser mais importante do que o estado totalmente em loop que ocorre apenas por um curto período de tempo.”

Como a maioria das outras ala§as do genoma émais fraca do que a que os pesquisadores estudaram neste artigo, eles suspeitam que muitas outras ala§as também se mostrara£o altamente transita³rias. Eles agora planejam usar sua nova técnica para estudar alguns desses outros loops, em uma variedade de tipos de células.

“Existem cerca de 10.000 desses loops, e analisamos um”, diz Hansen. “Temos muitas evidaªncias indiretas para sugerir que os resultados seriam generaliza¡veis, mas não demonstramos isso. Usando a plataforma de tecnologia que montamos, que combina novos manãtodos experimentais e computacionais, podemos comea§ar a abordar outros loops no genoma.”

Os pesquisadores também planejam investigar o papel de ala§as especa­ficas na doena§a. Muitas doena§as, incluindo um distaºrbio do neurodesenvolvimento chamado sa­ndrome FOXG1, podem estar ligadas a  dina¢mica defeituosa do loop. Os pesquisadores estãoagora estudando como a forma normal e mutante do gene FOXG1, bem como o gene causador de câncer MYC, são afetados pela formação do loop do genoma.

A pesquisa foi financiada pelo National Institutes of Health, National Science Foundation, Mathers Foundation, Pew-Stewart Cancer Research Scholar, Chaires d'excellence Internationale Blaise Pascal, American-Italian Cancer Foundation, e Max Instituto Planck de Biologia Celular Molecular e Genanãtica.