Em um estudo recente na revista Nature, cientistas da Dana-Farber descrevem um mecanismo pelo qual tais alterações podem surgir um processo que envolve uma das experiências mais perigosas e angustiantes que um cromossomo pode sofrer.
No câncer, instruções ruins encontram execução imprópria. As células tumorais são notórias por alterações em seu genoma: mutações, erros ortográficos do código genético, trechos de DNA fora do lugar, genes ausentes, genes superabundantes. Mas eles também são marcados por mudanças na expressão gênica o nível de atividade de genes individuais um processo controlado pela maquinaria epigenética da célula.
Instâncias de alterações epigenéticas foram encontradas em muitas formas de câncer. Mas enquanto os cientistas sabem muito sobre como ocorrem as mutações e outros erros do genoma, as causas das alterações epigenéticas no câncer permanecem nebulosas.
A descoberta é a mais recente a surgir da pesquisa de David Pellman, MD, e seus colegas, e seus colegas sobre a maneira às vezes inepta das células cancerígenas se dividirem e o efeito que isso pode ter nos núcleos das células e nos cromossomos dentro delas. Eles e outros cientistas mostraram que deslizes na divisão celular podem levar à formação de micronúcleos minúsculos compartimentos contendo um único braço cromossômico e pontes cromossômicas cromossomos esticados que abrangem duas células-filhas. Tanto os micronúcleos quanto as pontes cromossômicas são extraordinariamente frágeis; quando eles quebram, é como se o cromossomo afetado fosse uma delicada taça de vinho jogada no chão de pedra. Sua quebra, conhecida como cromotripse, resulta em danos extensos ao DNA da célula, mostrou o laboratório de Pellman.
O impacto desse acidente pode repercutir em gerações de células. Quando uma ponte cromossômica entra em colapso, seus cacos se entrelaçam nas células filhas recém-formadas, onde são seladas em micronúcleos. Se os micronúcleos se romperem, como costumam fazer, os pedaços dos cromossomos dentro podem se lascar ainda mais. A perda de micronúcleos também desencadeia uma resposta imune inflamatória. O processo e o potencial para mais danos cromossômicos - é renovado a cada rodada de divisão celular.
“Está bem estabelecido que essas estruturas químicas anormais pontes cromossômicas e micronúcleos idade como máquinas de mutação implacáveis, prejudicando os cromossomos que se entrelaçam nelas”, diz Pellman. “Para o estudo atual, perguntamos se a cromomutrepsia também tem um impacto nos transtornos epigenéticos de uma célula cancerosa adicionando mais insulto à lesão do dano genético.”
Havia uma boa razão para pensar assim. Pode-se facilmente pensar que a batida que os cromossomos sofrem durante a cromotrepticia causa estragos não apenas com seu DNA, mas também com o aparelho que abre e fecha o acelerador na atividade gênica.
Adição e subtração
Os genes são tornados mais ou menos ativos por um sistema complexo que anexa e remove alterações químicas na estrutura que mantém o DNA no lugar. Dentro do cromossomo, fios de DNA são enrolados em torno de aglomerados de proteínas histonas como fios em um carretel. A adição e subtração de subunidades químicas às histonas faz com que essas bobinas se apertem ou se soltem. O DNA em uma seção tensa está essencialmente trancado não disponível para uso pela célula. Uma seção mais solta é como um pergaminho desenrolado: a informação genética dentro dela pode ser “lida” como um modelo para fazer proteínas celulares.
Para ver se essa maquinaria intrincada pode sobreviver à cromotripsia ilesa e, se não, se as contínuas da maquinaria são passadas para as gerações posteriores de células o pesquisador construiu uma série de experimentos, usando ferramentas e técnicas de sua própria criação.
O laboratório de Pellman, em colaboração com o cientista de dados Dana-Farber Cheng Zhong Zhang, PhD , começou com uma versão modificada de uma técnica que eles criaram há quase uma década para rastrear a devastação genética causada pela cromotrepticpsia. A versão original, chamada Look-Seq, permitiu que o investigador observassem como uma célula individual atrapalhava o processo de divisão - como um pedaço de cromossomos escorregou para a célula filha errada, como um micronúcleo formado em torno dele, enquanto o micronúcleo se desintegrava eo pedaço de cromossomos dentro se quebrava. Então, ao sequenciar o DNA na célula filha, eles conseguiram descobrir as mudanças que ocorreram em seu genoma.
Uma catapulta para RNA
Para o novo estudo, os pesquisadores criaram o Look-Seq2, que, ao contrário de seu antecessor, sequencial o RNA da célula filha e sua progênie, em vez do DNA. O RNA transporta informações genéticas adquiridas do DNA através de um processo conhecido como transcrição - para as fábricas de fabricação de proteínas da célula. Como resultado, o conjunto de sinalizadores de RNA dentro de uma célula oferece um instantâneo de quais genes estão ativos e quão ativos eles estão em um determinado momento.
Para amostrar o RNA dentro de uma única célula e as gerações de células que brotam dela, o primeiro autor do estudo, Stamatis Papathanasiou, PhD, do laboratório de Pellman, e coautor e co-patrocinador Hauibin Zhang, PhD, do Broad Institute e Harvard projetou e imprimiu em 3D um dispositivo para uso com tecnologia conhecida como micro.
Pellman explica como funciona: “Um grupo de células está disposto em uma membrana em uma lâmina de vidro. Usamos um laser para cortar a membrana ao redor de células individuais para que elas não sejam danificadas. O DNA não é perturbado quando as células são compreendidas durante o procedimento Look-Seq original, mas seu estado de transcrição - seu padrão de expressão gênica - pode mudar se estiverem muito irritadas. Então, na abordagem atualizada, cortamos as células e usamos a força de catapulta do laser para impulsioná-lo para uma placa com 384 poços microscópicos. Usamos a tecnologia de imagem para identificar as células com micronúcleos e sequenciar seu RNA.”
Com essa informação em mãos, os investigadores enfrentaram um novo enigma: como saber se os padrões de transcrição em células com micronúcleos eram os mesmos ou diferentes em células normais. Para responder, eles empregaram uma técnica de bioinformática desenvolvida por Cheng-Zhong Zhang, que calcula o padrãoesperado de transcrição em células com cromossomos intactos e compara com o de células com estruturas energéticas anormais, como micronúcleos e pontes cromossômicas. O sequenciamento dos membros da família da célula micronucleada permite que o padrão esperado de transcrição seja inferior. Com essa técnica, os pesquisadores puderam determinar não apenas se houve alterações epigenéticas nestas células, mas também se essas alterações persistiram nas gerações subsequentes de células.
Uma alteração radical
O pesquisador descobriu que, em células micronucleadas, a atividade gênica dentro dos cromossomos cercados por micronúcleos havia cessado essencialmente. Quando os pesquisadores analisaram as marcas epigenéticas das células - ou arranjo de subunidades químicas em histonas - eles descobriram que elas foram radicalmente alteradas de acordo com células normais.
“Nossa análise das marcas foi consistente com a ideia de que os cromossomos são em grande parte inativados pelo trauma de serem expostos ao citoplasma da célula quando o micronúcleo se rompe”, afirma Pellman.
Quando células com micronúcleos ou que já tiveram micronúcleos se dividem, os cromossomos desses micronúcleos podem ser incorporados ao núcleo de uma das células filhas, onde um sistema molecular de verificação ortográfica corrige snafus em seu DNA. Pellman e seus colegas queriam saber se os snafus epigenéticos também são corrigidos ou se persistem em gerações subsequentes de células.
A resposta, ao que parece, é um pouco de ambos. Enquanto quase todos os genes no cromossomos da célula-mãe podem ser silenciados, cerca de 30% deles são silenciados em uma célula filha. “Desmostrámos que, embora as alterações epigenéticas possam ser herdadas por uma célula filha, não é um fenômeno de tudo ou nada”, observa Pellman. “A extensão dessa herança é variável.”
Como resultado, cada geração de células pode herdar um conjunto diferente de alterações epigenéticas. Nas células tumorais, algumas dessas mudanças serão úteis, apoiando seu crescimento e esperança, e outras não. As células que herdam as mudanças mais vantajosas terão maior probabilidade de sobreviver.
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