Cada gene em nosso DNA tem um começo e um fim. Definir as extremidades do gene adequadamente é crucial na produção de proteína funcional. Muitas pesquisas foram feitas para identificar o que determina quando, onde e em que local do DNA um gene "começa". Mas onde um gene termina é uma história diferente - a seleção dos locais de terminação da transcrição depende de elementos a jusante e de fatores extrínsecos.

Em seu estudo mais recente publicado na revista Cell , pesquisadores do Instituto Max Planck de Imunobiologia e Epigenética fizeram a descoberta surpreendente de que, para a maioria dos nossos genes, o local de início da transcrição determina o local de término da transcrição. Esse fenômeno é bem conservado entre as espécies e pré-determina os locais finais do mRNA no início da transcrição e desempenha um papel crucial na identidade e funcionalidade da célula .

Todas as células de um organismo contêm uma sequência de DNA idêntica. O que determina a identidade e a função das células e tecidos individuais é o conjunto de genes que estarão ativos em determinado local, em determinado momento. Esses genes ativos são transcritos do modelo de DNA em moléculas distintas de RNA mensageiro (mRNA) e codificarão as proteínas de que a célula precisa para funcionar.

Em locais específicos chamados promotores, uma maquinaria molecular complexa começa a transcrever sequências de DNA em mRNA. Curiosamente, a maioria dos genes contém vários locais possíveis onde a transcrição pode começar ou terminar. Isso significa que para cada gene, dependendo do local de início ou término, os mRNAs podem ser diferentes. Expressar um gene em diferentes variantes expande a diversidade e a funcionalidade do genoma muitas vezes. Ao mesmo tempo, acrescenta outra camada de complexidade ao estudo do genoma.

Cientistas do Instituto Max Planck de Imunobiologia e Epigenética em Freiburg queriam saber quantos locais diferentes de início e término cada gene usa, em qual combinação e se as combinações eram diferentes em diferentes condições. "O problema técnico para responder a esta pergunta é que temos que ler cada molécula de mRNA de todos os genes desde o início até o fim. Esta é uma tarefa enorme que não foi realizada antes", diz Valérie Hilgers, um grupo de pesquisa líder do MPI-IE.

Os cientistas usaram uma tecnologia de sequenciamento de última geração aprimorada para ler os mRNAs individuais. Para o sequenciamento convencional de leitura curta, cada mRNA é quebrado em fragmentos mais curtos que são amplificados e então sequenciados para produzir a leitura. Técnicas de bioinformática são usadas para juntar as leituras como um quebra-cabeça, em uma sequência contínua.

Para informações completas de mRNA de todo o genoma em vários tecidos de Drosophila, incluindo o cérebro, os Hilgers se uniram ao Deep Sequencing Facility do MPI para otimizar tecnologias específicas de sequenciamento de leitura longa. “O sequenciamento de leitura longa permite a recuperação de leituras de sequenciamento muito mais longas do que o sequenciamento padrão amplamente utilizado. ”, diz Carlos Alfonso-Gonzalez, o primeiro autor da publicação.

Além da Drosophila, o Hilgers Lab também incluiu um modelo humano do sistema nervoso em seu estudo: organoides cerebrais — "mini-cérebros" cultivados em um prato a partir de células-tronco pluripotentes induzidas. Os sítios finais da transcrição foram pré-determinados no início da transcrição.

Os dados coletados que representam cada mRNA na escala molecular completa fornecem uma visão sem precedentes sobre a transcrição de genes individuais os locais de início da transcrição estão especificamente ligados a locais distintos de término da transcrição", diz Hilgers.

Essa ligação é realmente causal: nos ovários, por exemplo, a ativação artificial de um TSS que normalmente é usado apenas no cérebro substitui o TES normal e induz artificialmente o uso do TES cerebral. Isso mostra o papel crítico do TSS em moldar a paisagem de RNA única para cada tecido e, assim, influenciar a identidade do tecido.

No entanto, um fenômeno se destacou. "Certos TSSs mostram um comportamento de dominância inesperado. Eles anulam os sinais convencionais para terminar a transcrição , superam outros TSSs e causam a seleção de TESs distintos. Assim, nós os chamamos de promotores dominantes", diz Alfonso-Gonzalez.

Além disso, a equipe descobriu que as interações entre esses promotores dominantes e suas extremidades gênicas associadas eram guiadas por assinaturas epigenéticas distintas. É importante ressaltar que os resultados nas células cerebrais de Drosophila podem ser replicados nos organoides do cérebro humano, mostrando que a dominância do promotor é um mecanismo conservado, talvez universal, para regular a produção de proteínas funcionais e a funcionalidade das células.

Qual poderia ser a relevância fisiológica desse novo mecanismo? Por meio de uma análise aprofundada da conservação da sequência, os pesquisadores de Freiburg descobriram que TSSs e TESs exibem coevolução: ao longo de milhões de anos de evolução entre as espécies, mudanças individuais de nucleotídeos no início do gene nos promotores dominantes foram acompanhadas por mudanças no final do gene correspondente .

“Interpretamos essa observação como um impulso na evolução, para sustentar a interação entre as duas extremidades do gene, o que implica uma importância significativa desses acoplamentos para a aptidão animal”, diz Valérie Hilgers.