Os cientistas finalmente leram o código oculto do DNA que molda as doenças

Uma equipe de pesquisadores e colaboradores do EMBL criou agora uma ferramenta que leva a análise unicelular a um novo nível. Ele pode capturar variações genômicas e RNA dentro da mesma célula, oferecendo maior precisão e escalabilidade do que as tecnologias anteriores. Esta abordagem permite aos cientistas identificar variações em regiões não codificantes do ADN, as áreas mais frequentemente ligadas a doenças, dando-lhes uma nova forma de explorar como as diferenças genéticas contribuem para a saúde humana. Com a sua precisão e capacidade de processar um grande número de células, a ferramenta marca um passo importante na ligação de variantes genéticas específicas com resultados de doenças.

“Este tem sido um problema de longa data, já que os atuais métodos unicelulares para estudar DNA e RNA na mesma célula tiveram rendimento limitado, faltaram sensibilidade e são complicados”, disse Dominik Lindenhofer, autor principal de um novo artigo sobre SDR-Seq publicado em Métodos da Natureza e pós-doutorado no Grupo Steinmetz do EMBL. “Em um nível de célula única, você poderia ler variantes em milhares de células, mas apenas se elas tivessem sido expressas – portanto, apenas a partir de regiões codificadas. Nossa ferramenta funciona, independentemente de onde as variantes estão localizadas, produzindo números de células únicas que permitem a análise de amostras complexas.”

A importante diferença entre regiões codificantes e não codificantes

O DNA contém regiões codificantes e não codificantes. As partes codificadoras funcionam como manuais de instruções, pois seus genes são expressos em RNA, que orienta as células na construção de proteínas essenciais à vida.

As regiões não codificantes, por outro lado, contêm elementos reguladores que orientam o modo como as células crescem e funcionam. Mais de 95% das variantes de DNA ligadas a doenças ocorrem nessas regiões não codificantes, mas os métodos unicelulares existentes não tiveram a sensibilidade ou a escala para estudá-los de forma eficaz. Até agora, os investigadores não conseguiram observar o ADN e o ARN da mesma célula em grande escala, limitando a compreensão de como as variantes do ADN afectam a actividade genética e contribuem para doenças.

“Neste espaço não codificado, sabemos que existem variantes relacionadas com doenças cardíacas congénitas, autismo e esquizofrenia que são vastamente inexploradas, mas estas certamente não são as únicas doenças como esta”, disse Lindenhofer. “Precisávamos de uma ferramenta para fazer essa exploração para compreender quais variantes são funcionais no seu contexto genómico endógeno e compreender como contribuem para a progressão da doença”.

Decifrando códigos de barras que rastreiam células únicas

Para realizar o sequenciamento de DNA-RNA unicelular (SDR-seq), os pesquisadores usaram minúsculas gotículas de óleo-água, cada uma contendo uma única célula, permitindo-lhes analisar DNA e RNA simultaneamente. Este método permitiu-lhes examinar milhares de células numa única experiência e vincular diretamente as alterações genéticas aos padrões de atividade genética. O desenvolvimento desta tecnologia exigiu a superação de grandes desafios e reuniu equipes das unidades de Biologia do Genoma e Biologia Estrutural e Computacional do EMBL, da Escola de Medicina da Universidade de Stanford e do Hospital Universitário de Heidelberg.

Colaboradores dos grupos Judith Zaugg e Kyung-Min Noh do EMBL desenvolveram uma maneira de preservar o delicado RNA “consertando” as células, enquanto os biólogos computacionais do grupo de Oliver Stegle projetaram um programa especializado para decodificar o complexo sistema de código de barras do DNA necessário para a análise de dados. Embora este software de decodificação tenha sido construído para este projeto específico, a equipe acredita que ele poderá ser valioso para muitos outros estudos.

Pesquisadores dos grupos de Wolfgang Huber e Sasha Dietrich da EMBL e da Universitätsklinikum Heidelberg já estavam examinando amostras de linfoma de células B para outros estudos. Estas amostras de pacientes, ricas em variação genética, forneceram um caso de teste ideal para a nova tecnologia. Usando essas amostras, Lindenhofer observou como as variações no DNA estavam ligadas a processos de doenças e descobriu que as células cancerígenas com mais variantes apresentavam sinais de ativação mais fortes que apoiam o crescimento do tumor.

“Estamos usando essas pequenas câmaras de reação para ler DNA e RNA na mesma célula”, disse Lindenhofer. “Isso nos permite dizer com precisão se uma variante está em uma ou ambas as cópias de um gene e medir seus efeitos na expressão gênica nas mesmas células individuais. Com as células do linfoma de células B, fomos capazes de mostrar que, dependendo da composição variante das células, elas tinham diferentes propensões a pertencer a estados celulares distintos. Também pudemos ver que o aumento de variantes em uma célula, na verdade, estava associado a um estado de linfoma de células B mais maligno.”

As muitas oportunidades de uma ferramenta de sequenciamento unicelular

A ferramenta SDR-seq agora oferece escala, precisão e velocidade aos biólogos genômicos para ajudar a compreender melhor as variantes genéticas. Embora possa eventualmente desempenhar um papel no tratamento de uma ampla gama de doenças complexas, pode primeiro ajudar no desenvolvimento de melhores ferramentas de rastreio para diagnóstico.

“Temos uma ferramenta que pode vincular variantes a doenças”, disse Lars Steinmetz, autor sênior do artigo, líder do grupo EMBL e professor de genética na Faculdade de Medicina da Universidade de Stanford. “Essa capacidade abre uma ampla gama de biologia que podemos agora descobrir. Se pudermos discernir como as variantes realmente regulam a doença e compreender melhor o processo da doença, isso significa que teremos uma melhor oportunidade de intervir e tratá-la.”