Cientistas desvendaram o código oculto do DNA que molda doenças

Uma equipe de pesquisadores do EMBL e colaboradores agora criou uma ferramenta que leva a análise de células individuais a um novo nível. Ela pode capturar tanto variações genômicas quanto RNA dentro da mesma célula, oferecendo maior precisão e escalabilidade do que as tecnologias anteriores. Essa abordagem permite que os cientistas identifiquem variações em regiões não codificantes do DNA, as áreas mais frequentemente ligadas a doenças, proporcionando uma nova maneira de explorar como as diferenças genéticas contribuem para a saúde humana. Com sua precisão e capacidade de processar grandes quantidades de células, a ferramenta representa um grande passo em direção à ligação de variantes genéticas específicas com desfechos de doenças.

“Esse tem sido um problema de longa data, já que os métodos atuais de célula única para estudar DNA e RNA na mesma célula tiveram baixa capacidade de processamento, falta de sensibilidade e são complicados”, disse Dominik Lindenhofer, autor principal de um novo artigo sobre o SDR-Seq publicado na Nature Methods e pós-doutorando 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 – apenas nas regiões codificadas. Nossa ferramenta funciona, independentemente de onde as variantes estão localizadas, produzindo números de célula única que permitem a análise de amostras complexas.”

A diferença importante entre regiões codificantes e não codificantes

O DNA contém tanto regiões codificantes quanto não codificantes. As partes codificantes funcionam como manuais de instruções, uma vez que seus genes são expressos em RNA, que direciona as células na construção de proteínas essenciais para a vida.

As regiões não codificantes, por outro lado, contêm elementos regulatórios que orientam como as células crescem e funcionam. Mais de 95% das variantes de DNA ligadas a doenças ocorrem nessas regiões não codificantes, no entanto, os métodos atuais de célula única não tiveram a sensibilidade ou a escala para estudá-las efetivamente. Até agora, os pesquisadores não conseguiram observar DNA e RNA da mesma célula em grande escala, limitando a compreensão de como as variantes do DNA afetam a atividade gênica e contribuem para doenças.

“Neste espaço não codificante, sabemos que existem variantes relacionadas a condições como doenças cardíacas congênitas, autismo e esquizofrenia que estão amplamente inexploradas, mas certamente não são as únicas doenças nesse caso”, disse Lindenhofer. “Precisávamos de uma ferramenta para fazer essa exploração, para entender quais variantes são funcionais em seu contexto genômico endógeno e compreender como elas contribuem para a progressão da doença.”

Decifrando códigos de barras que rastreiam células únicas

Para realizar a sequenciamento de DNA-RNA de célula única (SDR-seq), os pesquisadores utilizaram pequenas gotas de óleo e água, cada uma contendo uma única célula, permitindo analisar DNA e RNA simultaneamente. Esse método possibilitou examinar milhares de células em um único experimento e vincular diretamente as mudanças genéticas a padrões de atividade gênica. O desenvolvimento dessa tecnologia exigiu a superação de grandes desafios e reuniu equipes das unidades de Biologia Genômica e Biologia Estrutural e Computacional do EMBL, da Escola de Medicina da Universidade de Stanford e do Hospital Universitário de Heidelberg.

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

Pesquisadores dos grupos de Wolfgang Huber e Sasha Dietrich no EMBL e no Universitätsklinikum Heidelberg já estavam examinando amostras de linfoma de células B para outros estudos. Essas 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 células cancerígenas com mais variantes mostraram 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 única”, 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 únicas. Com as células de linfoma de células B, conseguimos mostrar que, dependendo da composição de variantes das células, elas tinham diferentes propensões a pertencer a distintos estados celulares. Também pudemos perceber que o aumento de variantes em uma célula estava, na verdade, associado a um estado mais maligno do linfoma de células B.”

As muitas oportunidades de uma ferramenta de sequenciamento de célula única

A ferramenta SDR-seq agora oferece aos biólogos genômicos escala, precisão e velocidade para ajudar a entender 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 triagem para diagnóstico.

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