A expressão gênica é controlada, em parte, pelas interações entre genes e elementos reguladores localizados ao longo do genoma. Essas interações dependem da capacidade da cromatina — uma mistura de DNA e proteínas — de se movimentar em um espaço congestionado.

Em um novo estudo, pesquisadores do MIT mediram o movimento da cromatina em escalas de tempo que variam de centenas de microssegundos a horas, permitindo-lhes quantificar rigorosamente essa dinâmica pela primeira vez.

A análise revelou que a cromatina pode existir em duas categorias diferentes: numa delas, a cromatina move-se de forma restrita, permitindo-lhe contactar principalmente apenas regiões vizinhas do genoma; na outra, a cromatina move-se mais livremente e contacta regiões mais distantes, mas apenas em escalas de tempo mais longas.

Os resultados oferecem informações sobre como a expressão gênica é regulada, bem como sobre como os segmentos de cromatina se unem para outros processos, como o reparo do DNA, afirmam os pesquisadores.

“Como conseguimos analisar a dinâmica da cromatina pela primeira vez nessas escalas de tempo muito rápidas, e também pela primeira vez em toda a faixa dinâmica, fomos capazes de observar o movimento da cromatina em uma escala que simplesmente não era possível antes”, diz Anders Sejr Hansen, professor associado de engenharia biológica no MIT e autor sênior do novo estudo, publicado hoje na Nature Structural and Molecular Biology .

Os autores principais do artigo são o pós-doutorando do MIT Matteo Mazzocca, Domenic Narducci (PhD '25) e Simon Grosse-Holz (PhD '23). Jessica Matthias, diretora comercial da Abberior Instruments, e Tatiana Karpova, gerente do Núcleo de Microscopia Óptica do Instituto Nacional do Câncer, também são autoras do artigo.

Nos livros didáticos, a cromatina é frequentemente representada como uma estrutura estática dentro do núcleo da célula, mas, na realidade, ela está em constante movimento. Esses movimentos são necessários para que os genes interajam com sequências reguladoras do DNA, como os intensificadores (enhancers), que podem estar a até 1 milhão de pares de bases de distância. Eles também garantem que, quando ocorrem quebras no DNA, as duas extremidades possam se encontrar para serem reparadas.

“A dinâmica da cromatina é fundamental para todos os processos no núcleo, especialmente para aqueles que envolvem o encontro de duas estruturas. Isso é importante no reparo do DNA, na regulação gênica, na recombinação ou na transposição de um gene específico para o compartimento correto do núcleo”, afirma Hansen.

O movimento de qualquer localização específica no genoma, ou lócus, é limitado pelo fato de o DNA ser um polímero. Após se mover em qualquer direção, um lócus será puxado de volta pelo DNA em ambos os lados dele.

Esse tipo de comportamento é conhecido como movimento subdifusivo. Estudos anteriores apresentaram resultados conflitantes sobre o grau de subdifusividade da cromatina, principalmente porque não conseguiram acompanhar o movimento por um período suficientemente longo para obter medições estatisticamente robustas. Como os movimentos são muito pequenos, da ordem de nanômetros, é necessário coletar dados em longas faixas dinâmicas — de milissegundos a horas.

Nesses estudos anteriores, os pesquisadores usaram técnicas de imagem que podem rastrear a posição de uma única molécula ao longo do tempo, comparando imagens quadro a quadro. Essas técnicas são úteis, mas só podem ser usadas em uma pequena faixa dinâmica devido às limitações da microscopia convencional.

Para gerar dados estatisticamente mais robustos, a equipe do MIT utilizou o MINFLUX — uma técnica de microscopia de luz de super-resolução capaz de rastrear o movimento de objetos minúsculos, como proteínas, ao longo de períodos mais longos. Essa técnica foi desenvolvida recentemente por Stefan Hell, do Instituto Max Planck, ganhador do Prêmio Nobel por seu trabalho em microscopia de super-resolução. Neste estudo, a equipe do MIT tornou-se a primeira a aplicar essa técnica à cromatina em células vivas.

“O MINFLUX nos permitiu contornar as limitações da microscopia convencional, possibilitando medir o movimento da cromatina mais rapidamente e por um período de tempo maior do que nunca”, diz Narducci. “Até onde sabemos, esta é a primeira vez que essa técnica foi usada dessa forma.”

Usando o MINFLUX, os pesquisadores conseguiram estudar células em escalas de tempo que abrangiam quatro ordens de magnitude — de 200 microssegundos a 10 segundos. E, combinando o MINFLUX com duas técnicas tradicionais de imagem, eles puderam rastrear o movimento da cromatina em sete ordens de magnitude ao longo do tempo, de centenas de microssegundos a várias horas.

Esses estudos, realizados em diversos tipos de células de camundongos e humanos, permitiram aos pesquisadores identificar duas classes distintas de dinâmica da cromatina. Em ambas as classes, em escalas de tempo curtas e intermediárias (até 200 segundos), qualquer lócus tende a se mover apenas em cerca de 200 nanômetros. Isso sugere que a força subdifusiva é mais forte do que se pensava anteriormente.

“Uma das principais conclusões é que existe uma região de influência onde um locus genômico tem acesso a outros loci genômicos, e essa região tem aproximadamente algumas centenas de nanômetros de tamanho”, diz Grosse-Holz. “Se os loci estiverem muito mais próximos do que algumas centenas de nanômetros, eles estarão efetivamente em contato o tempo todo. Há um limite em algumas centenas de nanômetros onde tudo dentro dessa região ao redor de um determinado locus pode ver esse locus, e tudo fora dela não pode.”

Esse contato constante provavelmente é benéfico para o reparo do DNA, já que as fitas quebradas permanecem próximas umas das outras. As descobertas também sugerem que, para genes e elementos regulatórios que estão a cerca de 100.000 pares de bases de distância, não é necessária nenhuma ajuda extra para que se encontrem — eles o farão rotineiramente por meio de seu movimento normal.

“Se estiverem a menos de 100.000 bases de distância, e a maioria dos elementos regulatórios está, então esses elementos encontrarão seu gene alvo em poucos milissegundos ou alguns minutos”, diz Mazzocca. “Essas escalas de tempo são completamente compatíveis com a transcrição.”

Na outra classe de dinâmica da cromatina identificada pelos pesquisadores, a cromatina consegue se mover em uma faixa mais ampla, mas apenas em escalas de tempo mais longas (de alguns minutos a horas). Essa classe de cromatina apareceu em alguns tipos de células, mas não em outros, por razões ainda não compreendidas.

“Seria razoável supor que o comportamento seria mais ou menos o mesmo em todos os tipos de células, mas não foi isso que descobrimos”, diz Hansen. “É muito diferente em diferentes tipos de células, sem uma maneira óbvia de categorizar as coisas.”

Ele acrescenta que a intensidade da força subdifusiva encontrada pelos pesquisadores neste estudo não pode ser explicada pelos modelos existentes desenvolvidos para estudar a dinâmica da cromatina — o modelo de Rouse e o modelo de glóbulo fractal. Isso sugere que os modelos podem precisar incorporar fatores que foram deixados de fora anteriormente, como as interações entre a cromatina e o nucleoplasma denso em que ela se encontra.

“Essas descobertas são significativas por dois motivos principais”, afirma Luca Giorgetti, líder de grupo no Instituto Friedrich Miescher de Pesquisa Biomédica, na Suíça, que não participou do estudo. “Primeiro, elas confirmam rigorosamente observações antigas, embora anedóticas, de que o movimento da cromatina é fortemente subdifusivo. Segundo, elas demonstram que esse comportamento é consistente em diversos tipos de células e persiste em todas as escalas de tempo medidas.”

A pesquisa foi financiada, em parte, pelos Institutos Nacionais de Saúde (NIH), por um prêmio CAREER da Fundação Nacional de Ciência (NSF), por um prêmio Pew-Stewart para Pesquisa do Câncer e pelo Projeto Bridge, uma parceria entre o Instituto Koch para Pesquisa Integrativa do Câncer do MIT e o Centro de Câncer Dana-Farber/Harvard.