Cientistas do MIT descobrem loops genéticos 3D ocultos que sobrevivem à divisão celular

Após a divisão, pensavam os cientistas, o ADN reconstruiria lentamente a sua estrutura complexa e dobrada, que é a chave para regular quais os genes que estão activos numa determinada célula.

Agora, uma nova pesquisa do MIT revela que este modelo há muito aceito não está totalmente correto. Usando um poderoso método de mapeamento do genoma de alta resolução, a equipe descobriu que pequenos loops 3D – conexões entre elementos reguladores do DNA e genes – permanecem intactos mesmo durante a divisão celular, um estágio conhecido como mitose.

“Este estudo realmente ajuda a esclarecer como deveríamos pensar sobre a mitose. No passado, a mitose era pensada como uma folha em branco, sem transcrição e sem estrutura relacionada à atividade genética. E agora sabemos que esse não é bem o caso”, diz Anders Sejr Hansen, professor associado de engenharia biológica no MIT. “O que vemos é que sempre há estrutura. Ela nunca desaparece.”

Loops de DNA que ajudam as células a “lembrar”

Os pesquisadores também descobriram que essas alças de DNA realmente se fortalecem à medida que os cromossomos se condensam em preparação para a divisão. Este aperto aproxima elementos regulatórios distantes, encorajando-os a permanecerem. Segundo a equipe, isso poderia permitir que as células “lembrassem” quais interações genéticas existiam antes da divisão e as restabelecessem depois.

“As descobertas ajudam a unir a estrutura do genoma à sua função na gestão de como os genes são ligados e desligados, o que tem sido um grande desafio no campo durante décadas”, diz Viraat Goel PhD ’25, principal autor do estudo.

Hansen e Edward Banigan, cientista pesquisador do Instituto de Engenharia Médica e Ciência do MIT, são autores seniores do estudo, publicado em Biologia Estrutural e Molecular da Natureza. Os co-autores incluem os professores do MIT Leonid Mirny e Gerd Blobel, da Escola de Medicina Perelman da Universidade da Pensilvânia.

Mapeando a Arquitetura Oculta do DNA

Nas últimas duas décadas, os cientistas descobriram que o DNA no núcleo da célula se organiza em loops 3D. Muitas dessas alças permitem que os genes interajam com regiões reguladoras distantes – às vezes separadas por milhões de pares de bases – enquanto outras se formam durante a mitose para compactar os cromossomos de maneira compacta.

A maior parte desse mapeamento dependeu de uma ferramenta chamada Hi-C, uma técnica desenvolvida em conjunto por pesquisadores do MIT e Job Dekker da Chan Medical School da Universidade de Massachusetts. O Hi-C funciona cortando o DNA em pequenos fragmentos e ligando aqueles que estão próximos uns dos outros no núcleo da célula antes de sequenciá-los para identificar quais regiões interagem.

Embora eficaz, o Hi-C não possui a resolução necessária para detectar interações em grande escala entre genes e sequências reguladoras conhecidas como intensificadores. Os intensificadores são segmentos curtos de DNA que ativam genes ligando-se a promotores, as regiões onde a transcrição começa.

Uma ferramenta inovadora: Micro-C de captura de região

Em 2023, Hansen e colegas desenvolveram uma técnica de próxima geração que pode mapear estruturas genômicas com precisão até 1.000 vezes maior. O método, chamado Region-Capture Micro-C (RC-MC), usa uma enzima diferente para cortar o DNA em fragmentos de tamanhos iguais e se concentra em uma porção menor do genoma. Isso permite que os pesquisadores criem mapas 3D altamente detalhados de regiões específicas do DNA.

Usando o RC-MC, a equipe identificou um novo recurso estrutural denominado “microcompartimentos”. Esses são laços minúsculos e densamente conectados que se formam quando intensificadores e promotores próximos se ligam uns aos outros.

Trabalhos anteriores mostraram que os microcompartimentos eram formados por um mecanismo diferente das estruturas maiores do genoma 3D, mas a equipe ainda não entendia como. Para explorar isto, eles decidiram examinar o que acontece com essas estruturas à medida que as células passam pela mitose. Durante esta fase, os cromossomos compactam-se dramaticamente para garantir que possam ser duplicados e distribuídos uniformemente entre as células-filhas. À medida que isso ocorre, grandes domínios do genoma conhecidos como compartimentos A/B e domínios de associação topológica (TADs) normalmente desaparecem.

Estabilidade inesperada durante a divisão celular

Os pesquisadores esperavam que os microcompartimentos também desaparecessem. Para testar isso, eles monitoraram as células durante todo o ciclo de divisão para ver como essas alças se comportavam antes e depois da mitose.

“Durante a mitose, pensava-se que quase toda a transcrição genética era interrompida. E antes do nosso artigo, também se pensava que toda a estrutura 3D relacionada com a regulação genética era perdida e substituída pela compactação. É uma reinicialização completa a cada ciclo celular”, diz Hansen.

Para surpresa deles, os loops não desapareceram. Na verdade, eles se tornaram ainda mais pronunciados à medida que as células se dividiam.

“Entramos neste estudo pensando, bem, a única coisa que sabemos com certeza é que não há estrutura regulatória na mitose, e então acidentalmente encontramos estrutura na mitose”, diz Hansen.

Usando a sua técnica, os investigadores também confirmaram que estruturas maiores, como compartimentos A/B e TADs, desaparecem durante a mitose, como tinha sido visto antes.

“Este estudo aproveita a resolução genômica sem precedentes do ensaio RC-MC para revelar aspectos novos e surpreendentes da organização da cromatina mitótica, que negligenciamos no passado usando ensaios tradicionais baseados em 3C. Os autores revelam que, ao contrário da bem descrita perda dramática de TADs e compartimentalização durante a mitose, “microcompartimentos” em escala fina – interações aninhadas entre elementos reguladores ativos – são mantido ou mesmo temporariamente fortalecido”, diz Effie Apostolou, professora associada de biologia molecular em medicina na Weill Cornell Medicine, que não esteve envolvida no estudo.

Explicando uma explosão misteriosa de atividade genética

A descoberta também pode explicar uma explosão há muito observada na transcrição genética que ocorre perto do final da mitose. Desde a década de 1960, os cientistas acreditavam que a transcrição parava totalmente durante a divisão celular. No entanto, estudos realizados em 2016 e 2017 revelaram um breve aumento na atividade genética antes de este ser encerrado novamente.

Em seu novo estudo, a equipe do MIT descobriu que durante a mitose, é mais provável que microcompartimentos sejam encontrados perto dos genes que aumentam durante a divisão celular. Eles também descobriram que essas alças parecem se formar como resultado da compactação do genoma que ocorre durante a mitose. Essa compactação aproxima intensificadores e promotores, permitindo que eles se unam para formar microcompartimentos.

Uma vez formadas, as alças que constituem os microcompartimentos podem ativar a transcrição genética, de certa forma, por acidente, que é então desligada pela célula. Quando a célula termina de se dividir, entrando em um estado conhecido como G1, muitas dessas pequenas alças tornam-se mais fracas ou desaparecem.

“Quase parece que esse aumento transcricional na mitose é um acidente indesejável que surge da geração de um ambiente excepcionalmente favorável para a formação de microcompartimentos durante a mitose”, diz Hansen. “Então, a célula remove e filtra rapidamente muitos desses loops quando entra em G1.”

Como a compactação cromossómica também pode ser influenciada pelo tamanho e forma de uma célula, os investigadores estão agora a explorar como as variações nessas características afectam a estrutura do genoma e, por sua vez, a regulação genética.

“Estamos pensando em alguns ambientes biológicos naturais onde as células mudam de forma e tamanho, e se podemos talvez explicar algumas mudanças no genoma 3D que anteriormente não tinham explicação”, diz Hansen. “Outra questão importante é como a célula escolhe quais são os microcompartimentos para manter e quais são os microcompartimentos para remover quando você entra no G1, para garantir a fidelidade da expressão genética?”

A pesquisa foi financiada em parte pelos Institutos Nacionais de Saúde, um prêmio CAREER da National Science Foundation, o Observatório de Regulação Genética do Broad Institute, um prêmio Pew-Steward Scholar para Pesquisa do Câncer, a Fundação Mathers, o Fundo Westaway do MIT, o Projeto Bridge do Instituto Koch e Dana-Farber/Harvard Cancer Center, e a bolsa de apoio (principal) do Instituto Koch do Instituto Nacional do Câncer.