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Por que as células idênticas agem de maneira diferente? Equipe descobre fontes de 'ruído' celular
os pesquisadores demonstraram que a maioria das flutuações na expressão gênica entre células idênticas ocorre na primeira etapa da produção de proteínas, chamada de transcrição.
Por Kim Horner - 10/10/2020


A quantidade de proteína produzida por um determinado segmento de DNA - conhecida como expressão gênica - pode variar entre pessoas e entre células idênticas na mesma pessoa. Essa flutuação é chamada de ruído celular.

Pesquisadores da Universidade do Texas em Dallas deram um passo importante para explicar por que células geneticamente idênticas podem produzir quantidades variáveis ​​da mesma proteína associada ao mesmo gene.

Em um estudo publicado em 18 de agosto e publicado na edição impressa de 18 de setembro da revista Nucleic Acids Research, os pesquisadores demonstraram que a maioria das flutuações na expressão gênica entre células idênticas ocorre na primeira etapa da produção de proteínas, chamada de transcrição.

Entender por que e como essas flutuações, ou ruído celular, ocorrem é um problema fundamental de bioengenharia, disse o Dr. Leonidas Bleris, professor associado de bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciência da Computação Erik Jonsson e membro, Cecil H. e Ida Green Professor em Sistemas Biology Science.

“A busca para entender o ruído celular é impulsionada principalmente por nosso interesse em aplicar a engenharia à biologia. Parafraseando [o físico] Richard Feynman, entendendo, seremos capazes de criar ”, disse Bleris, o autor correspondente do estudo. “Estamos interessados ​​em aplicar o controle nas células para atingir os objetivos desejáveis. As aplicações variam de terapia genética sofisticada a vias de engenharia para produzir compostos valiosos. ”

Quase todas as células do corpo de uma pessoa contêm o mesmo DNA, o conjunto mestre de instruções genéticas para fazer as proteínas complexas que fazem a maior parte do trabalho biológico. Segmentos de DNA chamados genes codificam proteínas específicas. Mas a quantidade de proteína produzida por um determinado gene - conhecida como expressão gênica - pode variar não apenas entre as pessoas, mas também entre células idênticas na mesma pessoa. Essa flutuação na expressão gênica entre células idênticas é chamada de ruído celular.

Usando uma combinação de experimentos e teoria, Bleris e seus colegas analisaram cada estágio do processo pelo qual as informações no DNA são convertidas em proteínas, um processo conhecido como o dogma central da biologia molecular.

“Eventualmente, assim que tivermos uma melhor compreensão de como nossos genes operam em seu ambiente intrinsecamente flutuante, seremos capazes de criar uma classe mais sofisticada de terapias genéticas que podem abordar de forma mais adequada as doenças que afligem a humanidade.”

Tyler Quarton PhD'19, um dos principais autores do estudo

O processo começa com a transcrição de um gene, no qual as informações do DNA são copiadas para um tipo relacionado de material genético chamado RNA. A célula então usa as informações do RNA para construir proteínas.

Para entender a fonte do ruído celular, os pesquisadores do Bleris Lab desenvolveram circuitos genéticos personalizados, uma abordagem de biologia sintética que permitiu à equipe isolar cada etapa do processo de fabricação de proteína padrão.

Em seguida, a equipe usou a ferramenta de edição de genes CRISPR para inserir cópias únicas desses circuitos cirurgicamente em uma localização genômica predeterminada em células humanas. Essa combinação de biologia sintética e edição de genoma possibilitou à equipe analisar as flutuações nas células em diferentes estágios do processo de produção de proteínas e apontar a transcrição como a fonte do ruído.

O  Prêmio Nobel de Química de 2020 foi concedido em 7 de outubro a dois cientistas que desenvolveram a tesoura genética CRISPR / Cas9 - Dra. Emmanuelle Charpentier, diretora da Unidade Max Planck para a Ciência de Patógenos em Berlim, e Dra. Jennifer Doudna, uma bioquímica na Universidade da Califórnia, Berkeley e um investigador do Howard Hughes Medical Institute. 

Compreender as diferenças em como as células geneticamente idênticas se comportam pode ajudar os cientistas a desenvolver terapias direcionadas mais eficazes, disse Bleris.

“Eventualmente, uma vez que tenhamos uma melhor compreensão de como nossos genes operam em seu ambiente intrinsecamente flutuante, seremos capazes de criar uma classe mais sofisticada de terapias genéticas que podem abordar mais apropriadamente as doenças que afligem a humanidade”, disse Tyler Quarton PhD ' 19, um dos principais autores do estudo.

A pesquisa também levanta questões para um estudo mais aprofundado.

“Compreender as fontes de ruído abre caminho para fazer novas perguntas: Qual é a função biológica do ruído? O ruído é usado pelas células para introduzir diversidade ou é simplesmente um incômodo? ” explicou Taek Kang, um estudante de doutorado em engenharia biomédica, Eugene McDermott Graduate Fellow e co-autor principal.

A equipe também incluiu Vasileios Papakis BS'20; Khai Nguyen, sênior de engenharia biomédica; Chance Nowak, estudante de doutorado em biologia celular e molecular; e o Dr. Yi Li, um cientista pesquisador em bioengenharia.

A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, incluindo o prêmio de desenvolvimento inicial de carreira (CAREER) do NSF de Bleris .

 

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