A nova plataforma de edição de epigenoma permite a programação precisa de modificações epigenéticas

Os investigadores desenvolveram uma nova plataforma de edição de genoma que permite a manipulação precisa das marcas da cromatina, revelando o seu impacto direto na expressão genética e desafiando a compreensão anterior dos mecanismos reguladores dos genes.

Um estudo do grupo de Hackett no EMBL Roma levou ao desenvolvimento de uma poderosa técnica de edição de genes, que abre a capacidade de programar com precisão modificações na cromatina.

Compreender como os genes são regulados em nível molecular é um grande desafio na biologia moderna. Este mecanismo complexo é impulsionado principalmente pela interação entre proteínas chamadas fatores de transcrição, ADN Regiões reguladoras e modificações epigenéticas – alterações químicas que alteram a estrutura da cromatina. A coleção de modificações epigenéticas no genoma de uma célula é chamada de epigenoma.

Avanços na edição do epigenoma

Em um estudo publicado hoje (9 de maio) em Genética da naturezaCientistas do grupo de Hackett no Laboratório Europeu de Biologia Molecular (EMBL) em Roma desenvolveram uma plataforma modular de edição de genoma – um sistema para programar modificações epigenéticas em qualquer parte do genoma. O sistema permite aos cientistas estudar o efeito de cada modificação da cromatina na transcrição, o mecanismo pelo qual os genes são transcritos em mRNA para catalisar a síntese protéica.

Acredita-se que as modificações da cromatina contribuam para a regulação de processos biológicos importantes, como crescimento, resposta a sinais ambientais e doenças.

Ilustração criativa do Kit de Ferramentas de Edição Epigenética: Cada edifício representa o estado epigenético de um único gene (as janelas escuras são genes silenciosos, as janelas claras são genes ativos). A alavanca demonstra o sistema de edição epigenética que permite a deposição de novo de marcas de cromatina em qualquer sítio genômico. Marzia Monafo

Para compreender os efeitos de marcas específicas da cromatina na regulação genética, estudos anteriores mapearam a sua distribuição nos genomas de tipos de células saudáveis ​​e doentes. Ao combinar estes dados com a análise da expressão genética e os efeitos conhecidos de perturbar genes específicos, os cientistas atribuíram funções a estas marcas da cromatina.

No entanto, tem sido difícil determinar a relação causal entre as marcas da cromatina e a regulação genética. O desafio é dissecar as contribuições individuais dos muitos fatores complexos envolvidos em tal regulação – marcas de cromatina, fatores de transcrição e sequências regulatórias de DNA.

Avanço na tecnologia de edição de epigenoma

Cientistas do grupo de Hackett desenvolveram um sistema modular de edição de genoma para programar com precisão nove marcas de cromatina biologicamente importantes em qualquer região desejada do genoma. O sistema é baseado em CRISPR – uma tecnologia de edição de genoma amplamente utilizada que permite aos pesquisadores fazer modificações em locais específicos do DNA com alta precisão e Precisão.

Essas perturbações sutis permitiram-lhes dissecar cuidadosamente as relações de causa e efeito entre as marcas da cromatina e seus efeitos biológicos. Os cientistas também conceberam e utilizaram um “sistema repórter”, que lhes permitiu medir alterações na expressão genética ao nível unicelular e compreender como as alterações na sequência de ADN afectam o efeito de cada marca da cromatina. Seus resultados revelam os papéis causais de um conjunto de marcas de cromatina importantes na regulação genética.

Principais descobertas e direções futuras

Por exemplo, os investigadores descobriram um novo papel para o H3K4me3, uma marca da cromatina que anteriormente se pensava ser uma consequência da transcrição. Eles observaram que o H3K4me3 pode, na verdade, aumentar a transcrição por si só se for adicionado artificialmente a locais específicos do DNA.

“Este foi um resultado muito emocionante e inesperado que contrariou todas as nossas expectativas”, disse Christina Policarpi, investigadora de pós-doutoramento no grupo de Hackett e cientista principal do estudo. “Nossos dados apontam para uma rede regulatória complexa, onde múltiplos fatores governantes interagem para modular os níveis de expressão gênica em uma determinada célula. Esses fatores incluem a estrutura pré-existente da cromatina, a sequência de DNA subjacente e a localização no genoma.

Aplicações potenciais e pesquisas futuras

Hackett e seus colegas estão atualmente explorando maneiras de aproveitar essa tecnologia por meio de um projeto inicial promissor. O próximo passo será confirmar e ampliar estas conclusões, visando genes em diferentes tipos de células e em larga escala. Como as marcas da cromatina afetam a transcrição através da diversidade genética e os mecanismos a jusante ainda precisam ser elucidados.

“Nosso kit de ferramentas modular de edição epigenética constitui uma nova abordagem experimental para dissecar as inter-relações entre o genoma e o epigenoma”, disse Jamie Hackett, líder do grupo EMBL Roma. “O sistema poderia ser usado no futuro para compreender com mais precisão a importância das mudanças epigenômicas na influência da atividade genética durante o desenvolvimento e em doenças humanas. Por outro lado, esta tecnologia também abre a capacidade de programar os níveis desejados de expressão genética de uma forma altamente. maneira ajustável. Este é um caminho interessante para aplicações.” Benefícios de saúde precisos podem ser úteis em casos de doença.

Referência: “A edição do genoma do caule captura a função instrutiva dependente do contexto das modificações da cromatina” 9 de maio de 2024, Genética da natureza.
doi: 10.1038/s41588-024-01706-s