Descoberto o mecanismo de ativação de genes: estava nas nossas costas

Embora o DNA tenha essa imagem de dupla hélice bonitinha e bem-organizada, isso não corresponde exatamente à realidade. A macromolécula que armazena as receitas para criar e manter um ser vivo está mais para um grande barato doido de ácido nucleico… coisado. Como se ligam e se desligam genes nesse emaranhado todo? A resposta sempre esteve nas costas de (quase) todo estudante universitário.

Enlacemos os genes porque não estão ligados

O genoma humano é formado por mais de 20 mil genes. O que diferencia cada tipo de célula é que apenas uma fração de todos esses genes são ativados em cada uma. Há regiões ativas em células cardíacas que são inativadas em células ósseas (e vice-versa). Uma equipe de pesquisadores do Baylor College of Medicine, Rice University, Stanford University e do Broad Institute em colaboração como Centro Médico do Texas descobriu proteínas que ligam e desligam genes formando loops nos cromossomos humanos. No ano passado a mesma equipe demonstrou que genes distantes entre si numa fita cromossômica podem ser ativados pela formação de um loop. Quando enrolado do jeito certo, os dois genes ficam pareados e são ativados. No entanto, o mecanismo que mantinha esses novelos genéticos na posição correta não havia sido encontrado.

Não dava pra entender a ativação pelos loops sem saber como os próprios loops se formam. “Durante meses,” — conta o autor principal, Erez Lieberman Aiden, geneticista e cientista da computação em Baylor e Rice — “não tínhamos a menor ideia do que os dados significavam. Então, um dia, nos demos conta de que carregamos a solução — literalmente nas costas — por décadas!”

No nível mais básico do código genético está a combinação das bases nitrogenadas — A, C, T, G. Como uma sequência de letras forma uma palavra, uma sequência destas bases forma um gene. Por sua vez, o gene é armazenado numa fita de DNA com grau variável de enrolação em torno de moléculas chamadas histonas. Fitas de DNA bastante emaranhadas ou melhor, compactadas, são conhecidos como cromossomos.

O que os pesquisadores notaram é que quando os genes se juntam na ponta de um loop, o pareamento se dá de maneira meio esquisita. Um gene que soletrasse PALAVRA-CHAVE, por exemplo, ficaria pareado com o seu reverso: EVAHC-ARVALAP. Como é que o DNA consegue ajustar exatamente um gene com sua imagem especular?

Os cientistas tentaram desenvolver algumas teorias. Primeiro consideraram o chamado empacotamento fractal, que se provou matematicamente impossível. Em seguida, testaram um modelo de dobramento de DNA no qual a tensão faria o cromossomo se comportar como um elástico, mas este modelo também não se ajustava. Era quase isso. Faltava o ajuste.

Genes afivelados

As fitas cromossômicas são, de fato, flexíveis. Afinal, elas formam loops bem complexos. Mas o que segura esses loops? Quem teve o insight foram dois graduandos e assistentes de laboratório de Aiden, Adrian Sanborn e Suhas Rao. Sanborn e Rao perceberam que precisavam de algo que segurasse as fitas genéticas. Algo parecido com um tri-glide ou slider, aquela fivela usada para ajustar as alças das mochilas.

As fivelas das mochilas funcionam de maneira deslizante. É só puxar de um lado ou outro que elas aumentam ou diminuem as alças da mochila, permitindo que esta fique mais junto à coluna ou mais caída. Se você reparar bem, isso só acontece porque cada trecho de cinta passa pela fivela deslizante numa direção diferente. BOOM! A mesma coisa acontece com os cromossomos, que formam alças cujas cintas deslizam em sentidos opostos dentro de uma fivela deslizante. Assim, matam-se dois enigmas numa fivelada só: os genes se pareiam na contramão porque são aproximados quando passam por dentro de uma fivela deslizante.

Na ponta das alças genéticas, a fivela deslizante é um complexo de proteínas chamado CTCF. O que serve como freio são sequências de nucleotídeos que os pesquisadores chamaram de palavras-chave. Quando encontra o reverso da palavra-chave ligada a um gene, a CTCF percebe que é hora de parar de delizar o outro lado da fita cromossômica. Assim, forma-se um loop e o par de genes se ativa (ou se desativa).

Esse mecanismo foi comprovado por simulações matemáticas e computacionais que buscavam prever a formação de loops. Nas simulações eram feitas pequenas modificações ou mutações, que acabaram seguindo o padrão esperado. Apesar de simples, o sistema é extremamente preciso. Os pesquisadores apresentam os primeiros mapas em 3D de alta resolução de loops genômicos humanos e explicam seus mecanismos de formação em paper publicado antecipadamente on-line em 23/10 e na edição de 24/11 da revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Nós descobrimos que mesmo a troca de uma única letra no código genético era o bastante para modificar a dobra de milhões de letras seguintes”, explicou Rao. Se a fivela para uma letrinha antes ou depois do que deveria, o loop se configura de maneira diferente. Quando se formam de maneira precisa, os loops se tornam bastante previsíveis, indicando quais pares de genes são ativos ou inativos. Com estes resultados e o guia genômico publicado no ano passado, abre-se a perspectiva de cirurgias genéticas extremamente precisas — para ligar ou desligar o gene certo, basta deslizar a proteína-fivela.

Referência

SANBORN, Adrian L. et al. Physical simulations of loop formation by extrusion predict results of 3D genome reengeneering experiments [Simulações físicas de formação de loop por extrusão prediz resultados de experimentos de reengenharia genômica]. PNAS. November 24, 2015 vol. 112 no. 47 E6456-E6465 Published online before print October 23, 2015, doi: 10.1073/pnas.1518552112