O DNA (amarelo) regula a expressão gênica catalisada por modificações epigenéticas, como as enzimas DNA metiltransferase (azul, centro).Crédito: Juan Gertner/Biblioteca de Fotos Científicas
Marianne Roths começou a falar sobre edição de epigenoma no circuito de conferências há quase duas décadas. Se as marcas epigenéticas naturais, como a metilação do DNA e a acetilação das histonas, regulam a expressão genética, argumentou ele, então a modificação artificial dessas marcas deveria permitir aos cientistas ajustar essa expressão. Mas muitos dos seus colegas zombaram, assumindo que as marcas epigenéticas não poderiam desencadear tais mudanças. “Nós realmente tivemos que lutar contra o dogma, pensavam as pessoas, isso nunca vai funcionar”, disse Rots, epigeneticista do Centro Médico Universitário de Groningen, na Holanda.
Depois veio o sistema CRISPR-Cas. Embora a tecnologia tenha primeiro causado impacto na edição de genes, cientistas como Rott agora a utilizam para direcionar com precisão os editores epigenéticos para qualquer sequência de DNA. De repente, os pesquisadores de epigenética puderam não apenas silenciar ou ativar genes, mas também aumentar ou diminuir a expressão genética. Mais de uma dúzia de empresas estão agora a explorar tecnologias de edição epigenética e algumas estão em fase inicial de ensaios clínicos.
Ajustável e flexível, a edição epigenética contrasta elegantemente com a edição genética. A enzima Cas do CRISPR cliva o material genético e depois depende do sistema celular para repará-lo, incorporando a edição desejada. A edição epigenética é leve, deixando a cadeia e o código do DNA inalterados, e pode causar alterações temporárias ou permanentes.
‘Editor de epigenoma’ silencia genes que causam distúrbios cerebrais fatais
“Vejo a edição do epigenoma como muito mais sofisticada, muito mais complexa”, diz Charles Gersbach, engenheiro biomédico da Duke University em Durham, Carolina do Norte. “Há muito mais coisas que você pode fazer com a edição do epigenoma que não são necessariamente possíveis com a edição do genoma”.
Por exemplo, na edição epigenética, adicionar uma série de RNAs guia à máquina – ácidos nucleicos que direcionam as enzimas Cas para uma localização genômica específica – permite que os cientistas modifiquem vários locais ao mesmo tempo. Em contraste, uma vez que a edição genética requer a criação de uma quebra de cadeia dupla de ADN, a edição simultânea de múltiplas sequências genéticas corre o risco de recombinar os fragmentos em configurações não naturais e perigosas.
Os pesquisadores estão usando a edição epigenética para explorar as complexidades da expressão genética e desenvolver terapias. Os cientistas vegetais também estão trabalhando com epigenomas, para criar variedades de culturas que diferem na atividade genética, e não na sequência de DNA. Mas o epigenoma é complexo e muitos projetos exigem tentativa e erro.
“Nós realmente não entendemos as regras”, disse Rots. “Não podemos prever os resultados finais dos nossos testes biológicos”.
Do banco…
Não é de admirar que as regras sejam vagas: “As mudanças epigenéticas são numerosas”, diz Elizabeth Heller, neurocientista da Escola de Medicina Perelman da Universidade da Pensilvânia, na Filadélfia. As moléculas de DNA podem ser modificadas por metilação – o que pode silenciar genes – e as histonas associadas estão sujeitas a dezenas de possíveis modificações químicas, incluindo acetilação, fosforilação e biotinilação, cada uma com seu próprio modo de ação. “Mesmo num determinado gene, normalmente existem muitos deles, mudando simultaneamente”, diz Heller. Nas células humanas, a expressão genética é controlada por aproximadamente 900 reguladores da cromatina e 1.600 fatores de transcrição, proteínas que se ligam a sequências de DNA para controlar a taxa de expressão genética.
O que vem por aí para o CRISPR: empresas editam o epigenoma para tratar doenças
Portanto, uma das primeiras aplicações da edição epigenética foi examinar a mecânica da epigenética. Heller, por exemplo, estuda os efeitos genéticos do uso de cocaína. Os resultados preliminares indicam que quando os ratos são expostos à droga e depois negados, a metilação das histonas em um locus genético específico diminui e a produção do transcrito de mRNA correspondente aumenta.1. Isto sugere que a abstinência de cocaína causa alterações epigenéticas, que alteram a expressão genética. Mas para dissecar exatamente o que está acontecendo, ele precisa modificar as marcas epigenéticas, uma de cada vez ou em conjunto. Editores epigenéticos são apenas a solução.
O editor básico possui duas partes principais. O primeiro é um mecanismo de direcionamento – geralmente uma versão da enzima Cas do CRISPR que não consegue cortar o DNA, junto com um RNA guia para trazê-lo ao locus.
O outro são os efetores, que editam ou afetam a expressão genética. Alguns efetores são enzimas que modificam diretamente o DNA e as histonas, como as metiltransferases e as desmetilases. Outros efetores não agem diretamente no DNA, mas recrutam ou bloqueiam a maquinaria transcricional – fatores de transcrição artificiais (ATFs), como Heller e Roth os chamam.2.
A pesquisadora de epigenética Elizabeth Heller.Crédito: Daniel Burke
Para mudanças temporárias, diz Heller, os pesquisadores podem introduzir plasmídeos que codificam o editor ou ATF nas células. Os plasmídeos podem ser entregues de várias maneiras, por exemplo, embalados em DNA ou vetores virais de vida curta, como o vírus herpes simplex. As expressões do editor ou ATF e quaisquer alterações resultantes durarão uma semana ou mais.
Para a transformação a longo prazo, os investigadores podem utilizar vetores lentivirais, que integram os seus genes no genoma da célula hospedeira. Ou podem criar linhas celulares transgênicas ou organismos com genomas que foram modificados para expressar o editor ou ATF.
“Ter todas essas opções torna tudo um pouco assustador”, diz Gersbach. “No entanto, é realmente poderoso para criar muita flexibilidade.”
Rots sugere começar com alguns efetores comumente usados, muitos dos quais estão disponíveis no serviço de distribuição de reagentes Addgene, com sede em Watertown, Massachusetts. Para ativar a expressão gênica, considere VP64 e suas construções relacionadas, ativadores baseados no fator de transcrição do vírus herpes simplex 1. Para reduzir a expressão, experimente o CRISPRoff, feito a partir do domínio KRAB do repressor transcricional e um complexo DNA metiltransferase, que catalisa a metilação.
Gersbach usou KRAB, VP64 e outro ativador genético chamado TET1 em um estudo de 2025 para investigar a regulação genética na síndrome de Prader-Willi, que causa fome contínua, entre outros sintomas. A doença ocorre quando uma cópia do cromossomo 15 herdada do pai é excluída. Todos os genes estão presentes no cromossomo 15 materno, mas estão metilados ou desligados. Em vez de tentar reativar todos os genes em 5-6 megabases de material genético, Gersbach está à procura de um “interruptor mestre” para controlá-los – uma técnica que ele espera que um dia possa ser terapêutica.
Para investigar como esta região é regulada, os investigadores associaram mais de 11.000 RNAs guia ao VP64 para suprimir a expressão do alelo materno silencioso ou da versão paterna normal do KRAB. Acertos na tela e trabalhos posteriores com o ativador TET1 identificaram um único local genômico onde a desmetilação direcionada ativou o gene silenciado, mesmo após a exclusão do editor.3.
Na clínica…
No Instituto de Hospitalização e Tratamento de Terapia Gênica San Raffaele, em Milão, Itália, o biólogo molecular Angelo Lombardo também tem ambições terapêuticas para edição epigenética. Em 2016, Lombardo descreveu um método que chamou de edição “bater e correr” para obter mudanças de longo prazo a partir de influenciadores publicados momentaneamente.4. Assim como o CRISPRoff, o sistema depende do KRAB e de uma enzima metiltransferase, bem como de moléculas direcionadas ao DNA personalizáveis. A expressão a curto prazo destas construções em células cultivadas coloca marcas repressivas no ADN e nas histonas dos genes alvo, desligando-os definitivamente. O efeito dura várias rodadas de divisão celular ao longo de vários meses, disse Lombardo.
A equipe de Lombardo usa o mesmo sistema para desativar Pcsk9 genes em ratos5. Expresso nas células do fígado, Pcsk9 Regula os níveis de colesterol; Os inibidores de pequenas moléculas da PCSK9 podem tratar o colesterol elevado, e técnicas de edição genética para inativar o gene estão sob investigação. O grupo de Lombardo usou nanopartículas lipídicas para entregar RNA mensageiro que codifica seus editores epigenéticos aos fígados de camundongos, o que reduziu quase pela metade os níveis de PCSK9. Um único tratamento produz efeitos que duram cerca de um ano. Os pesquisadores removeram partes do fígado de quatro ratos, forçando a regeneração do órgão – e o novo tecido manteve a supressão epigenética, mostrando que poderia ser transferido de mãe para filha.
Edição ‘epigenética’ reduz colesterol em ratos
Lombardo foi cofundador da nChroma Bio em Boston, Massachusetts, para desenvolver ainda mais esses tratamentos epigenéticos, e a empresa está conduzindo o programa PCSK9 nas próximas etapas. Em ratos, os pesquisadores da enchroma silenciaram uma expressão humana PCSK9 O transgene levou a uma redução de mais de 98% nos níveis de proteína durante pelo menos um ano – e eles também puderam reativar o gene removendo as marcas silenciadoras de metila.6. No mesmo estudo, macacos cynomolgus receberam o tratamento, que reduziu os níveis de PCSK9 em cerca de 90% e os níveis de lipoproteína de baixa densidade, ou colesterol “ruim”, em cerca de 70%.
Tanto a N Chroma como a Tune Therapeutics, co-fundadas por Gersbach e sediadas em Seattle, Washington, estão a testar tratamentos epigenómicos para a hepatite B. As células hepáticas infectadas contêm muitas cópias do genoma viral: algumas integram-se no cromossoma do hospedeiro e outras permanecem fora dele. A ideia deste tratamento, explica Gersbach, é silenciar os genomas virais e prevenir a produção de partículas virais, levando assim a uma “cura eficaz”. Em maio, na conferência da Associação Europeia para o Estudo do Fígado, em Barcelona, Espanha, Tune relatou que, num ensaio em fase inicial em curso, vários biomarcadores de proteínas virais e RNA foram eliminados durante até 17 meses em altas doses de tratamento.
De volta ao laboratório, Lombardo está agora combinando a edição epigenética com a edição genética no que ele chama de “plataforma maluca” completa para a terapêutica do câncer. Na terapia CAR-T, as células imunológicas são reprogramadas com receptores de antígenos quiméricos (CARs) que têm como alvo as células cancerígenas. Mas também é útil na inativação de outros genes que podem inibir a resposta imunológica das células CAR T ou fazer com que ataquem os alvos errados. Lombardo argumentou que apenas a adição de CARs exigia uma edição genética real; O silenciamento de outros genes pode ser conseguido através de mecanismos epigenéticos leves.
O truque era projetar um sistema que pudesse clivar um único local-alvo para a inserção do gene CAR, ao mesmo tempo que visava editores epigenéticos em outras localizações genômicas. A solução de Lombardo foi usar diferentes comprimentos de RNA guia e uma enzima Cas9 ativa que pode clivar o DNA. Ele usou um RNA guia completo para atingir o locus CAR desejado, que Cas9 clivou durante a edição genética completa. RNAs-guia truncados direcionados a outros locais foram suficientes para recrutar efetores epigenéticos – novamente, KRAB e metiltransferases – sem cortar o DNA. Em maio, os cientistas relataram que expressaram CAR com sucesso e silenciaram epigeneticamente dois outros genes em 80% das células em cultura.7.
Em direção à estufa
A edição do epigenoma também está entrando na ciência agrícola. Muitas características das plantas, como altura e rendimento, são controladas pela epigenética, explica Jian-Kang Zhu, geneticista molecular e presidente da Universidade de Ciência e Tecnologia de Macau, na China. A edição do epigenoma vegetal pode criar cultivares valiosas sem alterar a sequência do DNA.
