Tecnologia Científica

Os cromossomos parecem diferentes do que você pensa
Todas as coisas vivas, incluindo os humanos, devem criar novas células para substituir aquelas muito velhas e gastas para funcionar.
Por Universidade de Harvard - 18/11/2020


Esta imagem multicolorida de cromatina foi criada usando hibridização fluorescente multiplexada in situ e microscopia de super-resolução. Crédito: Xiaowei Zhuang lab

Nos livros didáticos do ensino médio, os cromossomos humanos são retratados como Xs instáveis, como dois cachorros-quentes juntos. Mas essas imagens estão longe de ser precisas. "Por 90% do tempo", disse Jun-Han Su, "os cromossomos não existem assim."

No ano passado, antes de Su se formar com seu Ph.D., ele e três Ph.D. atuais. candidatos na Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências - Pu Zheng, Seon Kinrot e Bogdan Bintu - capturaram imagens 3-D de alta resolução de cromossomos humanos , as casas complexas de nosso DNA. Agora, essas imagens podem fornecer evidências suficientes para transformar esses Xs em símbolos mais complexos, mas muito mais precisos, não apenas para ensinar a próxima geração de cientistas, mas ajudar a geração atual a desvendar mistérios sobre como funcionam as influências da estrutura dos cromossomos.

Todas as coisas vivas, incluindo os humanos, devem criar novas células para substituir aquelas muito velhas e gastas para funcionar. Para fazer isso, as células se dividem e replicam seu DNA, que é embrulhado em bibliotecas labirínticas dentro da cromatina, o material dentro dos cromossomos . Estendido em uma linha reta, o DNA em uma única célula pode chegar a quase dois metros, e tudo isso se envolve em estruturas estreitas e complexas no núcleo da célula. Apenas um erro ao copiar ou rebobinar esse material genético pode causar mutação ou mau funcionamento nos genes.

É difícil aproximar o zoom o suficiente para ver a estrutura da cromatina. Mas olhar para a estrutura e a função é ainda mais difícil. Agora, em um artigo publicado em agosto na Cell , Zhuang e sua equipe relatam um novo método para criar imagens da estrutura e do comportamento da cromatina juntos, conectando os pontos para determinar como um influencia o outro para manter a função adequada ou causar doenças.

"É muito importante determinar a organização 3-D", disse Zhuang, o David B. Arnold, Jr. Professor de Ciências, "para entender os mecanismos moleculares subjacentes à organização e também entender como essa organização regula a função do genoma."

Com seu novo método de imagem 3-D de alta resolução, a equipe começou a construir um mapa cromossômico a partir de imagens de lente ampla de todos os 46 cromossomos e close-ups de uma seção de um cromossomo. Para obter a imagem de algo que ainda é muito pequeno, eles capturaram pontos conectados ("loci genômicos") ao longo de cada cadeia de DNA. Ao conectar muitos pontos, eles podem formar uma imagem abrangente da estrutura da cromatina.
 
Mas houve um obstáculo. Anteriormente, disse Zhuang, o número de pontos que eles podiam criar imagens e identificar era limitado pelo número de cores que eles podiam imaginar juntos: três. Três pontos não podem formar uma imagem abrangente.

Então, Zhuang e sua equipe criaram uma abordagem sequencial: imagine três locais diferentes, extinguir o sinal e, em seguida, imaginar outros três em rápida sucessão. Com essa técnica, cada ponto recebe duas marcas de identificação: cor e redondo da imagem.

"Agora, na verdade, temos 60 loci capturados e localizados simultaneamente e, mais importante, identificados", disse Zhuang.

Ainda assim, para cobrir todo o genoma, eles precisavam de mais - milhares - então eles se voltaram para uma linguagem que já é usada para organizar e armazenar grandes quantidades de informações: binária. Ao imprimir códigos de barras binários em diferentes loci da cromatina, eles podiam criar imagens de muito mais loci e decodificar suas identidades posteriormente. Por exemplo, uma molécula com imagem na primeira rodada, mas não na segunda rodada, obtém um código de barras começando com "10". Com códigos de barras de 20 bits, a equipe conseguiu diferenciar 2.000 moléculas em apenas 20 rodadas de imagem. "Desta forma combinatória, podemos aumentar o número de moléculas que são fotografadas e identificadas muito mais rapidamente", disse Zhuang.

Com essa técnica, a equipe obteve imagens de cerca de 2.000 loci de cromatina por célula, um aumento de mais de dez vezes em relação ao trabalho anterior e o suficiente para formar uma imagem de alta resolução de como é a estrutura dos cromossomos em seu habitat nativo. Mas eles não pararam por aí: eles também imaginaram a atividade de transcrição (quando o RNA replica o material genético do DNA) e estruturas nucleares como manchas nucleares e nucléolos.

Com o Google Maps 3D do genoma, eles poderiam começar a analisar como a estrutura muda ao longo do tempo e como esses movimentos territoriais ajudam ou prejudicam a divisão e replicação celular.

Os pesquisadores já sabem que a cromatina é dividida em diferentes áreas e domínios (como desertos versus cidades). Mas como esses terrenos se parecem em diferentes tipos de células e como funcionam ainda é desconhecido. Com suas imagens de alta resolução, Zhuang e a equipe determinaram que áreas com muitos genes ("ricas em genes") tendem a se aglomerar em áreas semelhantes em qualquer cromossomo. Mas áreas com poucos genes ("pobres em genes") só se juntam se compartilharem o mesmo cromossomo. Uma teoria é que as áreas ricas em genes, que são locais ativos para a transcrição de genes, se unem como uma fábrica para permitir uma produção mais eficiente.

Embora mais pesquisas sejam necessárias antes de confirmar essa teoria, uma coisa agora é certa: o ambiente da cromatina local afeta a atividade de transcrição. A estrutura influencia a função. A equipe também descobriu que não há dois cromossomos iguais, mesmo em células que são idênticas. Descobrir a aparência de cada cromossomo em cada célula do corpo humano exigirá muito mais trabalho do que um laboratório sozinho.

"Não será possível construir apenas com base em nosso trabalho", disse Zhuang. "Precisamos desenvolver o trabalho de muitos laboratórios para ter um entendimento abrangente."

 

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