Antes que as células possam se dividir, elas precisam replicar todos os seus cromossomos, para que cada uma das células-filhas possa receber um conjunto completo de material genético. Até agora, os cientistas acreditavam que, à medida que a divisão ocorre, o genoma perde a estrutura interna tridimensional característica que normalmente forma.

Acreditava-se que, uma vez concluída a divisão, o genoma gradualmente recuperava aquela estrutura globular complexa, que desempenha um papel essencial no controle de quais genes são ativados em uma determinada célula.

No entanto, um novo estudo do MIT mostra que, na verdade, essa imagem não é totalmente precisa. Usando uma técnica de mapeamento genômico de alta resolução, a equipe de pesquisa descobriu que pequenos laços tridimensionais conectando elementos reguladores e genes persistem no genoma durante a divisão celular, ou mitose.

“Este estudo realmente ajuda a esclarecer como devemos pensar sobre a mitose. No passado, a mitose era considerada uma tela em branco, sem transcrição e sem estrutura relacionada à atividade genética. E agora sabemos que não é bem assim”, diz Anders Sejr Hansen, professor associado de engenharia biológica no MIT. “O que vemos é que sempre há estrutura. Ela nunca desaparece.”

Os pesquisadores também descobriram que esses circuitos regulatórios parecem se fortalecer quando os cromossomos se tornam mais compactos em preparação para a divisão celular. Essa compactação aproxima os elementos reguladores genéticos e os estimula a se unirem. Isso pode ajudar as células a "lembrar" as interações presentes em um ciclo celular e transportá-las para o próximo.

“As descobertas ajudam a conectar a estrutura do genoma à sua função de gerenciar como os genes são ativados e desativados, o que tem sido um grande desafio na área há décadas”, diz Viraat Goel PhD '25, o principal autor do estudo.

Hansen e Edward Banigan, pesquisador do Instituto de Engenharia Médica e Ciência do MIT, são os autores principais do artigo, publicado hoje na Nature Structural and Molecular Biology . Leonid Mirny, professor do Instituto de Engenharia Médica e Ciência do MIT e do Departamento de Física, e Gerd Blobel, professor da Escola de Medicina Perelman da Universidade da Pensilvânia, também são autores do estudo.

Nos últimos 20 anos, cientistas descobriram que, dentro do núcleo da célula, o DNA se organiza em laços tridimensionais. Enquanto muitos laços permitem interações entre genes e regiões reguladoras que podem estar a milhões de pares de bases de distância umas das outras, outros são formados durante a divisão celular para compactar os cromossomos. Grande parte do mapeamento dessas estruturas tridimensionais foi feito usando uma técnica chamada Hi-C, originalmente desenvolvida por uma equipe que incluía pesquisadores do MIT e foi liderada por Job Dekker, da Faculdade de Medicina Chan da Universidade de Massachusetts. Para realizar o Hi-C, os pesquisadores usam enzimas para dividir o genoma em vários pedaços pequenos e conectar bioquimicamente pedaços que estão próximos uns dos outros no espaço tridimensional dentro do núcleo da célula. Eles então determinam as identidades dos pedaços que interagem por meio do sequenciamento.

No entanto, essa técnica não tem resolução alta o suficiente para identificar todas as interações específicas entre genes e elementos reguladores, como os intensificadores. Os intensificadores são sequências curtas de DNA que podem ajudar a ativar a transcrição de um gene ligando-se ao promotor do gene — o local onde a transcrição começa.

Em 2023, Hansen e outros desenvolveram uma  nova técnica que lhes permite analisar estruturas genômicas tridimensionais com resolução de 100 a 1.000 vezes maior do que era possível anteriormente. Essa técnica, conhecida como Region-Capture Micro-C (RC-MC), utiliza uma enzima diferente que corta o genoma em pequenos fragmentos de tamanho semelhante. Ela também se concentra em um segmento menor do genoma, permitindo o mapeamento tridimensional de alta resolução de uma região específica do genoma.

Usando essa técnica, os pesquisadores conseguiram identificar um novo tipo de estrutura genômica nunca antes vista, que eles chamaram de "microcompartimentos". São pequenos laços altamente conectados que se formam quando intensificadores e promotores localizados próximos uns dos outros se unem.

Nesse artigo, experimentos revelaram que essas alças não eram formadas pelos mesmos mecanismos que formam outras estruturas genômicas, mas os pesquisadores não conseguiram determinar exatamente como elas se formam. Na esperança de responder a essa pergunta, a equipe se propôs a estudar as células durante a divisão celular. Durante a mitose, os cromossomos se tornam muito mais compactos, permitindo que sejam duplicados, classificados e divididos entre duas células-filhas. À medida que isso acontece, estruturas genômicas maiores, chamadas compartimentos A/B e domínios de associação topológica (DATs), desaparecem completamente.

Os pesquisadores acreditavam que os microcompartimentos descobertos também desapareceriam durante a mitose. Ao monitorar as células ao longo de todo o processo de divisão celular, eles esperavam descobrir como os microcompartimentos aparecem após a mitose.

No entanto, para sua surpresa, os pesquisadores descobriram que os microcompartimentos ainda podiam ser vistos durante a mitose e, de fato, eles se tornam mais proeminentes à medida que a célula passa pela divisão celular.

“Começamos este estudo pensando: bem, a única coisa que sabemos com certeza é que não há estrutura reguladora na mitose, e então acidentalmente encontramos uma estrutura na mitose”, diz Hansen.

Usando sua técnica, os pesquisadores também confirmaram que estruturas maiores, como compartimentos A/B e TADs, desaparecem durante a mitose, como já havia sido visto antes.

"Este estudo aproveita a resolução genômica sem precedentes do ensaio RC-MC para revelar aspectos novos e surpreendentes da organização da cromatina mitótica, que havíamos ignorado no passado usando ensaios tradicionais baseados em 3C. Os autores revelam que, ao contrário da perda dramática bem descrita de TADs e da compartimentalização durante a mitose, os "microcompartimentos" de pequena escala — interações aninhadas entre elementos reguladores ativos — são mantidos ou mesmo temporariamente fortalecidos", afirma Effie Apostolou, professora associada de biologia molecular em medicina na Weill Cornell Medicine, que não participou do estudo.

As descobertas podem oferecer uma explicação para um pico na transcrição genética que geralmente ocorre próximo ao final da mitose, afirmam os pesquisadores. Desde a década de 1960, acreditava-se que a transcrição cessava completamente durante a mitose, mas em 2016 e 2017, alguns estudos mostraram que as células sofrem um breve pico de transcrição, que é rapidamente suprimido até que a célula termine de se dividir.

Em seu novo estudo, a equipe do MIT descobriu que, durante a mitose, é mais provável que microcompartimentos sejam encontrados perto dos genes que disparam durante a divisão celular. Eles também descobriram que esses laços parecem se formar como resultado da compactação do genoma que ocorre durante a mitose. Essa compactação aproxima potenciadores e promotores, permitindo que eles se unam para formar microcompartimentos.

Uma vez formadas, as alças que constituem os microcompartimentos podem ativar a transcrição gênica de forma acidental, que é então desligada pela célula. Quando a célula termina de se dividir, entrando em um estado conhecido como G1, muitas dessas pequenas alças enfraquecem ou desaparecem.

“Parece quase que esse pico transcricional na mitose é um acidente indesejável que surge da geração de um ambiente excepcionalmente favorável à formação de microcompartimentos durante a mitose”, diz Hansen. “Então, a célula rapidamente poda e filtra muitos desses loops ao entrar em G1.”

Como a compactação dos cromossomos também pode ser influenciada pelo tamanho e formato da célula, os pesquisadores agora estão explorando como variações nessas características afetam a estrutura do genoma e, por sua vez, a regulação genética.

“Estamos pensando em alguns cenários biológicos naturais onde as células mudam de forma e tamanho, e se talvez possamos explicar algumas mudanças genômicas tridimensionais que antes não tinham explicação”, diz Hansen. “Outra questão fundamental é como a célula escolhe quais microcompartimentos manter e quais remover ao entrar em G1, para garantir a fidelidade da expressão gênica?”

A pesquisa foi financiada em parte pelos Institutos Nacionais de Saúde, um Prêmio CAREER da National Science Foundation, o Gene Regulation Observatory do Broad Institute, um Prêmio Pew-Steward Scholar para Pesquisa do Câncer, a Mathers Foundation, o MIT Westaway Fund, o Bridge Project do Koch Institute e o Dana-Farber/Harvard Cancer Center, e o Koch Institute Support (core) Grant do National Cancer Institute.