Durante séculos, os cientistas notaram que certas doenças parecem passar de uma geração para outra, uma ligação notada pela primeira vez por Hipócrates, que observou que algumas doenças “ocorrem em famílias”. Ao longo do tempo, os investigadores melhoraram constantemente a sua capacidade de descobrir as raízes biológicas destes padrões herdados no genoma humano.
Uma equipe de pesquisadores e colaboradores do EMBL desenvolveu agora uma ferramenta que leva a análise unicelular a um novo nível. Ele pode capturar variação genômica e RNA dentro da mesma célula, proporcionando maior precisão e escalabilidade do que as tecnologias anteriores. Este método permite aos cientistas identificar variações em regiões não codificantes do ADN, regiões que estão frequentemente associadas a doenças, dando-lhes uma nova forma de explorar como as diferenças genéticas contribuem para a saúde humana. Com a sua precisão e capacidade de processar um grande número de células, a ferramenta marca um passo importante na ligação de variantes genéticas específicas aos resultados de doenças.
“Este é um problema de longa data, porque os atuais métodos unicelulares para estudar DNA e RNA na mesma célula têm rendimento limitado, carecem de sensibilidade e são complexos”, disse Dominik Lindenhofer, autor principal de um novo artigo publicado no SDR-seq. Método da natureza e pós-doutorado no grupo Steinmetz do EMBL. “No nível de célula única, você pode ler variantes em milhares de células, mas apenas se elas foram expressas – portanto, apenas na região codificada. Nossa ferramenta funciona, não importa onde as variantes estejam, fornecendo números de célula única que permitem a análise de amostras complexas.”
Diferenças importantes entre regiões codificantes e não codificantes
O DNA contém regiões codificantes e não codificantes. Os segmentos de codificação funcionam como manuais de instruções, pois seus genes são expressos em RNA, que orienta a célula a produzir proteínas necessárias à vida.
Por outro lado, as regiões não codificantes contêm elementos reguladores que determinam como as células crescem e funcionam. Mais de 95% das variantes de DNA associadas a doenças ocorrem nessas regiões não codificantes, mas os sistemas unicelulares existentes carecem de sensibilidade ou escala para estudá-las com eficácia. Até agora, os investigadores não conseguiram observar o ADN e o ARN da mesma célula em grande escala, limitando a compreensão de como as variações do ADN afectam a actividade genética e contribuem para doenças.
“Neste espaço sem codificação, sabemos que existem variações associadas a doenças como doenças cardíacas congênitas, autismo e esquizofrenia que ainda não foram descobertas, mas certamente não é a única doença desse tipo”, disse Lindenhofer. “Precisávamos de uma ferramenta para essa exploração para compreender quais variantes são funcionais no seu contexto genómico endógeno e como contribuem para a progressão da doença”.
Decodificando códigos de barras que rastreiam células únicas
Para realizar o sequenciamento de DNA-RNA unicelular (SDR-Seq), os pesquisadores usaram minúsculas gotículas de óleo-água, cada uma contendo uma única célula, o que lhes permitiu analisar DNA e RNA simultaneamente. Essa abordagem permite examinar milhares de células em um único experimento e vincular diretamente as alterações genéticas aos padrões de atividade genética. O desenvolvimento desta tecnologia superará grandes desafios e reunirá equipes das unidades de Biologia do Genoma e Biologia Estrutural e Computacional do EMBL, da Escola de Medicina da Universidade de Stanford e do Hospital Universitário de Heidelberg.
Colaboradores do grupo de Judith Zaug e Kyung-Min Noh no EMBL desenvolveram uma maneira de preservar o RNA fino “imobilizando” células, enquanto os biólogos computacionais do grupo de Oliver Stegall projetaram um programa especial para decodificar o complexo sistema de código de barras do DNA necessário para a análise de dados. Embora este software de decodificação tenha sido desenvolvido para este projeto específico, a equipe acredita que poderá ser valioso para muitos outros estudos.
Pesquisadores dos grupos de Wolfgang Huber e Sasha Dietrich da EMBL e da Universitätsklinikum Heidelberg já estão examinando amostras de linfoma de células B para outros estudos. Esta amostra de pacientes, rica em alterações genéticas, proporcionou um caso de teste ideal para a nova tecnologia. Usando essas amostras, Lindenhofer observou como as variações no DNA estavam associadas a processos de doenças e descobriu que as células cancerígenas com mais variações apresentavam sinais de ativação mais fortes que apoiavam o crescimento do tumor.
“Estamos usando essas minúsculas câmaras de reação para ler DNA e RNA na mesma célula”, disse Lindenhofer. “Isso nos permite dizer com precisão se uma variante está presente em uma ou ambas as cópias de um gene e medir seu efeito na expressão gênica na mesma célula. Com células de linfoma de células B, fomos capazes de mostrar que, dependendo da composição variante das células, elas têm propensões diferentes de serem associadas a estados celulares distintos. Na verdade, podemos associar células com uma variante aumentada com mais estados de linfoma de células B associados.”
Muitas oportunidades de uma ferramenta de sequenciamento unicelular
A ferramenta SDR-seq agora oferece aos biólogos genômicos escala, precisão e velocidade para ajudar a compreender melhor as variações genéticas. Embora possa eventualmente desempenhar um papel no tratamento de uma vasta gama de doenças complexas, pode ajudar a desenvolver melhores ferramentas de rastreio para o diagnóstico precoce.
“Temos uma ferramenta que pode vincular variantes a doenças”, disse Lars Steinmetz, autor sênior do artigo, líder do grupo EMBL e professor de genética na Faculdade de Medicina da Universidade de Stanford. “Essa capacidade abre uma ampla gama de biologia que podemos agora explorar. Se pudermos compreender como as variantes realmente controlam a doença e compreender melhor o processo da doença, isso significa melhores oportunidades para intervir e tratar.”
