Antes que uma célula possa se dividir em duas, ela deve copiar todos os seus cromossomos para que cada nova célula herde um conjunto completo de material genético. Durante anos, os pesquisadores acreditaram que a complexa forma tridimensional do genoma desaparecia temporariamente à medida que esse processo se desenrolava.
Após a divisão, pensavam os cientistas, o ADN reconstruiria gradualmente a sua estrutura complexa e dobrada, que é a chave para controlar quais os genes que estão activos numa determinada célula.
Agora, uma nova pesquisa do MIT revela que este modelo há muito aceito não está totalmente correto. Usando um poderoso método de mapeamento do genoma de alta resolução, a equipe descobriu que pequenos loops 3D – as conexões entre os elementos reguladores do DNA e os genes – permanecem intactos mesmo durante a divisão celular, um estágio conhecido como mitose.
“Esta pesquisa realmente ajuda a esclarecer como deveríamos pensar sobre a mitose. No passado, a mitose era pensada como uma folha em branco, sem transcrição e sem estrutura relacionada à atividade genética. E agora sabemos que não é esse o caso”, disse Anders Cesar Hansen, professor associado de engenharia biológica no MIT. “O que vemos é que sempre há estrutura. Ela nunca desaparece.”
Loops de DNA que ajudam as células a “lembrar”.
Os pesquisadores também descobriram que essas alças de DNA realmente se fortalecem à medida que os cromossomos se condensam em preparação para a divisão. Este aperto aproxima os elementos reguladores distais, encorajando-os a aderir. Segundo a equipe, isso poderia permitir que as células “lembrassem” quais interações genéticas existiam antes da divisão e as restabelecessem mais tarde.
“Gerenciar como o genoma é ligado e desligado ajuda a moldar a estrutura do genoma, o que tem sido um grande desafio na área há décadas”, disse Virat Goel, Ph.D. ’25, principal autor do estudo.
Hansen, pesquisador do Instituto de Engenharia Médica e Ciência do MIT, e Edward Bannigan, autor sênior do estudo, Biologia Estrutural e Molecular da Natureza. Os co-autores incluem o professor do MIT Leonid Mirny e Gerd Blobel, da Perelman School of Medicine da Universidade da Pensilvânia.
Mapeando a arquitetura oculta do DNA
Nas últimas duas décadas, os cientistas descobriram que o DNA no núcleo da célula se organiza em loops 3D. Muitas dessas alças permitem que os genes interajam com regiões regulatórias distantes – às vezes separadas por milhões de pares de bases – enquanto outras se formam durante a mitose para compactar os cromossomos.
Grande parte desse mapeamento dependeu de uma ferramenta chamada Hi-C, uma técnica co-desenvolvida por pesquisadores do MIT e Job Decker da Chan Medical School da Universidade de Massachusetts. O Hi-C funciona quebrando o DNA em pedaços menores e sequenciando-os para identificar quais regiões interagem, ligando segmentos próximos uns dos outros no núcleo da célula.
Apesar de serem funcionais, os intensificadores de Hi-C não possuem a resolução necessária para detectar interações em escala fina entre genes e sequências reguladoras conhecidas como intensificadores de hi-C. Os intensificadores são pequenos segmentos de DNA que ativam genes ligando-se a promotores, regiões onde a transcrição começa.
Uma ferramenta inovadora: Micro-C de captura de região
Em 2023, Hansen e colegas desenvolveram uma técnica de próxima geração que pode mapear a estrutura do genoma com uma precisão 1.000 vezes maior. O método, denominado micro-C de captura de região (RC-MC), usa uma enzima diferente para quebrar o DNA em pedaços de tamanho igual e se concentra em uma pequena parte do genoma. Isso permite que os pesquisadores criem mapas 3D altamente detalhados de regiões específicas do DNA.
Usando o RC-MC, a equipe identificou um novo recurso estrutural que chamou de “microcompartimentos”. Estes são laços pequenos e densamente conectados que se formam quando intensificadores e promotores próximos se ligam uns aos outros.
Trabalhos anteriores mostraram que os microcompartimentos são formados por um mecanismo diferente da estrutura maior do genoma 3D, mas a equipe ainda não entendeu como. Para explorar isto, eles decidiram examinar o que acontece com essas estruturas à medida que as células passam pela mitose. Nesta fase, os cromossomos compactam-se dramaticamente para garantir que possam ser duplicados e distribuídos uniformemente entre as células-filhas. À medida que isso ocorre, grandes domínios do genoma conhecidos como compartimentos A/B e domínios de associação topológica (TADs) geralmente desaparecem.
Estabilidade inesperada durante a divisão celular
Os pesquisadores esperavam que os microcompartimentos também desaparecessem. Para testar isso, eles observaram células ao longo do ciclo de divisão para ver como essas alças se comportavam antes e depois da mitose.
“Durante a mitose, pensa-se que quase toda a transcrição genética é interrompida. E antes do nosso artigo, também se pensava que toda a estrutura 3D associada à regulação genética é perdida e substituída pela compactação. É uma reinicialização completa a cada ciclo celular”, diz Hansen.
Para surpresa deles, os loops não desapareceram. Na verdade, eles se tornam mais pronunciados à medida que as células se dividem.
“Entramos neste estudo pensando, bem, uma coisa que sabemos com certeza é que não há estrutura regulatória na mitose, e então acidentalmente encontramos estrutura na mitose”, diz Hansen.
Usando sua técnica, os pesquisadores confirmaram que estruturas maiores, como compartimentos A/B e TADs, desaparecem durante a mitose, como observado anteriormente.
“Este estudo aproveita a resolução genômica sem precedentes do ensaio RC-MC para revelar aspectos novos e surpreendentes da organização da cromatina mitótica, que negligenciamos no passado usando ensaios tradicionais baseados em 3C. Os autores revelam que, em contraste com a perda dramática bem descrita, a perda de compartina e sutileza durante TAD. “Microcompartimentos” – elementos reguladores ativos Interações aninhadas – são mantidos ou mesmo temporariamente fortalecido”, disse Effie Apostolou, professora associada de biologia molecular da medicina na Weill Cornell Medicine, que não esteve envolvida no estudo.
Uma explosão misteriosa na atividade genética explicada
Esta descoberta também pode explicar uma explosão há muito observada na transcrição genética que ocorre perto do final da mitose. Desde a década de 1960, os cientistas acreditam que a replicação para completamente durante a divisão celular. No entanto, estudos realizados em 2016 e 2017 revelaram um breve aumento na atividade genética antes de esta parar novamente.
Em seu novo estudo, a equipe do MIT descobriu que durante a mitose, os microcompartimentos são mais abundantes perto dos genes que aumentam durante a divisão celular. Eles também descobriram que essas alças se formam como resultado da compactação do genoma que ocorre durante a mitose. Essa compactação aproxima intensificadores e promotores, permitindo que eles se unam para formar microcompartimentos.
Uma vez formadas, as alças que formam o microcompartimento podem ativar acidentalmente alguma transcrição genética, que é desligada pela célula. Quando a célula termina de se dividir, entrando em um estado conhecido como G1, muitas dessas pequenas alças enfraquecem ou desaparecem.
“Quase parece que este aumento transcricional na mitose é um acidente indesejado que surge da criação de um ambiente excepcionalmente favorável para a formação de microcompartimentos durante a mitose”, diz Hansen. “Então, a célula rapidamente remove e filtra muitos desses loops ao entrar em G1.”
Como a compactação cromossómica também pode ser afectada pelo tamanho e forma de uma célula, os investigadores estão agora a investigar como as variações nestas características afectam a estrutura do genoma e, por sua vez, a regulação genética.
“Estamos pensando em alguns ambientes biológicos naturais onde as células mudam de forma e tamanho, e poderemos ser capazes de explicar algumas das mudanças no genoma 3D que anteriormente não tinham explicação”, disse Hansen. “Outra questão fundamental é como a célula escolhe quais microcompartimentos manter e quais microcompartimentos remover quando você entra no G1 para garantir a fidelidade da expressão genética?”
A pesquisa foi financiada em parte pelos Institutos Nacionais de Saúde, pelo prêmio CAREER da National Science Foundation, pelo Observatório de Regulação Genética do Broad Institute, pelo Pew-Steward Scholar Award for Cancer Research, pela Mathers Foundation, pelo MIT Westway Fund, pelo Koch Institute’s Bridge Project e pelo Dana-Farber/Harvar Center, Cancer and Cancer Center. fez o Instituto Nacional do Câncer.
