Regulação do genoma do tipo de célula catalogada em ratos em nível de célula única

Introdução à Genética - Prof. Paulo Jubilut (Julho 2019).

Anonim

Os cientistas completaram um grande esforço para mapear o panorama regulatório do genoma do rato em uma resolução de célula única.

A equipe aplicou um ensaio especial que eles haviam desenvolvido anteriormente para traçar um perfil genômico chamado acessibilidade à cromatina.

Os pesquisadores estavam interessados ​​em como o enrolamento, acondicionamento e embalagem do DNA no que é denominado cromatina influencia a informação genética que é disponibilizada para ser usada em cada célula individual. O DNA é como contas em uma corda. Espaços formam onde as "contas" moleculares são movidas para que as proteínas possam acessar e "ler" a informação genética. Esse estado é a acessibilidade da cromatina.

No estudo, foram testadas quase cem mil células individuais de 13 tecidos masculinos machos adultos. Os tecidos eram: medula óssea, intestino grosso, coração, rim, fígado, pulmão, intestino delgado, baço, testículos, timo, todo o cérebro e o cerebelo e córtex pré-frontal do cérebro.

Os cientistas observaram 85 padrões distintos de acessibilidade à cromatina, e poderiam atribuir a maioria deles a tipos celulares específicos. Eles também catalogaram mais de quatrocentos mil elementos regulatórios potenciais. Em geral, os pesquisadores conseguiram identificar aglomerados de células com paisagens de cromatina semelhantes e, em seguida, examinar esse cluster para selecionar diversos tipos de células.

Eles disseram que a qualidade de seus dados era variável, dependendo em grande parte do tipo de tecido. Os dados foram de menor qualidade em células progenitoras de espermatozóides nos testículos, porque o DNA é empacotado de maneira diferente nessas células reprodutivas.

Os dados recolhidos neste atlas poderiam promover a compreensão das vias de desenvolvimento e a formação de linhagens celulares. Por exemplo, os pesquisadores podem usar esse recurso para entender como a acessibilidade da cromatina muda à medida que as células imaturas formadoras de sangue se transformam em células sanguíneas maduras com papéis específicos.

Este atlas unicelular de acessibilidade à cromatina, dizem os pesquisadores, é parte de um esforço contínuo entre laboratórios em todo o mundo para compilar um atlas abrangente de tipos de células para humanos, camundongos e outras espécies. Os laboratórios Shendure, Trapnell e colaboradores geraram atlas relacionados para o desenvolvimento de worms e moscas.

Os métodos e resultados são publicados em 2 de agosto na revista Cell.

Os autores seniores do estudo foram Cole Trapnell e Jay Shendure, ambos professores do Departamento de Genome Sciences da Universidade de Washington School of Medicine, e membros do Centro de Descoberta de Células por Paul G. Allen e do Brotman Baty Institute for Medicina de Precisão em Seattle. Shendure é também um investigador do Instituto Médico Howard Hughes.

Darren A. Cusanovich, um ex-colega de pós-doutorado, e Andrew J. Hill, um estudante de graduação, ambos trabalhando no laboratório de Shendure, lideraram o estudo. Cusanovich e seus colegas desenvolveram os protocolos de ensaio de indexação combinatória de célula única críticos para esta pesquisa.

"Essa tecnologia de célula única mede como o genoma é organizado em células individuais e como os genes são regulados", disse Cusanovich, agora professor assistente na Universidade do Arizona. Outros estudos genéticos, observou Hill, mostraram que a maioria das variantes genéticas subjacentes a doenças comuns se enquadra nas regiões não-codificantes do genoma, onde o manejo da atividade gênica se origina.

"Esses sinais", disse Shendure, "às vezes parecem estar no meio do nada. Os cientistas não têm as ferramentas para descobrir quais genes eles estão regulando. Esses dados nos ajudam a entender as regras regulatórias em diferentes tipos de células".

"Pesquisas como essa fornecem uma visão de como organismos complexos podem ter uma variedade tão incrível de tipos de células contendo o mesmo genoma de referência", disse Hill.

Trapnell explicou que a maioria dos estudos anteriores aplicou métodos genômicos a tecidos ou amostras compostas de muitos tipos de células. A comparação entre muitos tipos diferentes de células, no entanto, pode obscurecer o que está acontecendo em tipos de células individuais.

"Estamos interessados ​​em propriedades genômicas de células no nível de célula única", disse ele. Ele acrescentou que a maioria das pesquisas nesta área tem sido sobre se a expressão de certos genes nas células está ligada ou desligada, e menos comumente sobre por que ou como os genes são ativados, sintonizados ou silenciados.

Os pesquisadores usaram os dados resultantes para identificar quais partes do genoma estão "abertas" em diferentes tipos de células e quais genes esses elementos regulam. Em seguida, eles cruzaram esse atlas com os resultados de estudos de associação em todo o genoma humano, que revelam variantes genéticas com possíveis conexões entre doenças.

Os pesquisadores foram capazes de implicar os tipos de células que desempenham um papel em muitos distúrbios e traços humanos comuns, apesar do fato de que os dados do atlas celular vieram de camundongos, não de pessoas.

Por exemplo, a herdabilidade para a doença de Alzheimer não foi enriquecida em nenhuma classe de células cerebrais conhecidas como neurônios, mas foi mais fortemente enriquecida na microglia, que defende o sistema nervoso. Em contraste, os mais fortes enriquecimentos de herdabilidade para o transtorno bipolar estavam nos neurônios excitatórios.

Outras características examinadas deste modo incluíram condições auto-imunes, altos níveis lipídicos, deficiências de imunoglobulinas, tamanho e composição corporal, asma, febre do feno, ataques cardíacos, gota e uma série de outras condições ou características.

Um trabalho relacionado conduzido por pesquisadores da UW Medicine, publicado em 2 de agosto na revista Molecular Cell, apresenta o Cicero, um algoritmo chamado para o orador romano. Este algoritmo auxilia na determinação da gramática da regulação gênica. O método utiliza dados de acessibilidade de cromatina de célula única e vincula elementos reguladores no DNA aos genes que eles direcionam.

O software, escrito por Hannah Pilner, uma estudante de pós-graduação nos laboratórios Trapnell e Shendure, determina como milhares de elementos regulatórios orquestram a expressão gênica no desenvolvimento de células musculares.

Os cientistas usaram o Cicero para o atlas do mouse para construir um mapa de conexões potenciais entre elementos reguladores em cada tipo de célula. A esperança é que esse tipo de mapeamento revele como os milhões de seqüências reguladoras de DNA no genoma controlam como as células desempenham suas funções especializadas.

A produção de um atlas de células humanas é uma tarefa assustadora, devido ao vasto número de células no corpo e aos muitos tipos diferentes de células que se acredita existirem ao longo da vida de um indivíduo. O humano adulto médio contém aproximadamente 37 trilhões de células que variam em tipo, abundância e estado de desenvolvimento.

No entanto, progressos como os descritos nesses documentos podem ajudar na criação de um atlas de células humanas. Os pesquisadores apontaram que o que antes era intensivo em termos de mão-de-obra para um punhado de tipos de células pode agora ser feito em resolução de uma única célula em apenas alguns meses.

Em contraste com um humano, acredita-se que um rato doméstico tenha apenas cerca de 10 bilhões de células em seu corpo (aproximadamente 0, 02% tantas quanto no corpo humano). Humanos e camundongos divergiram de um ancestral comum há cerca de 75 milhões de anos.

Apesar das mudanças genéticas que ocorreram desde então, o rato fornece muitas pistas para a saúde e a doença humanas. Por causa da relação evolucionária, o atlas de células de camundongo contribuirá para entender como tipos de células de mamíferos, incluindo humanos, surgiram.

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