Tecnologia Científica

Comportamento surpreendente de fatores de transcrição desafia teorias de regulação gênica
As descobertas abrem novas questões, como como os fatores Runx podem causar essas mudanças dramáticas na expressão do gene quando os próprios níveis de Runx não mudam?
Por Lori Dajose - 29/01/2021


Transformar células progenitoras em precursores de células T comprometidos em tempo real. Detalhe: imagem ao vivo de um clone de células T futuras, do estágio progenitor (à esquerda) ao comprometimento (à direita) em 3 dias (cortesia, Mary A. Yui). Antecedentes: campo de células correspondente a uma mistura desses estágios, todos processados ​​para mostrar moléculas individuais de RNA que codificam proteínas regulatórias principais. Runx1 (pontos ciano) é expresso em níveis semelhantes nas células nos estágios inicial, intermediário e final (cortesia, Wen Zhou). Crédito: cortesia de B. Shin

Como as células se desenvolvem e as doenças que surgem quando o desenvolvimento dá errado têm sido um foco de pesquisa de décadas no laboratório da Distinta Professora de Biologia Ellen Rothenberg . Em particular, o laboratório estuda o desenvolvimento de células imunológicas conhecidas como células T, que agem como "agentes de inteligência" - elas circulam por todo o corpo, detectam ameaças e determinam que tipo de resposta o sistema imunológico deve dar. No entanto, quando os vários estágios do desenvolvimento das células T não ocorrem perfeitamente, ocorre a leucemia.

"Muitos dos genes que estudamos em células T normais em desenvolvimento são os mesmos genes que, quando regulados incorretamente, levam as células a se tornarem leucêmicas de células T", diz Rothenberg. “Entender a precisão desse processo é muito importante. Há também um aspecto interessante da irreversibilidade: alguns dos genes que estudamos só têm atividade em um período de tempo específico no desenvolvimento e depois se desligam para sempre. Mas na leucemia, vemos isso esses genes 'vazam' novamente em um estágio posterior, quando deveriam estar desligados. Queremos saber os detalhes do processo para ativar e manter os genes desligados, o que nos ajudará a entender o que está errado na leucemia. "

Agora, um novo estudo do laboratório de Rothenberg examina certas proteínas que supervisionam a regulação gênica no desenvolvimento de células T e descobre que essas proteínas se comportam de uma maneira bem diferente daquela assumida na teoria anterior. O trabalho sugere que as teorias de regulação gênica podem precisar ser reavaliadas.

Um artigo que descreve a pesquisa foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences em 21 de janeiro de 2021. Os primeiros autores do estudo são o bolsista de pós-doutorado do Caltech Boyoung Shin e o ex-bolsista de pós-doutorado do Caltech Hiroyuki Hosokawa, agora membro do corpo docente da Tokai University no Japão.

Quase todas as células do corpo humano contêm a mesma cópia do genoma, mas diferenças na expressão de genes específicos dão origem a diferentes tipos de células, como músculos, neurônios e células do sistema imunológico. A expressão do gene pode ser pensada como uma lâmpada com um interruptor dimmer. Semelhante a como uma lâmpada em um interruptor de dimmer pode ser ativada intensamente ou vagamente, ou não, um gene pode ser expresso forte, fracamente ou ser silenciado. As "mãos" que ajustam esses interruptores dimmer genômicos são proteínas chamadas fatores de transcrição, que se ligam ao genoma para aumentar ou diminuir a expressão.

Existem muitos tipos diferentes de fatores de transcrição, cada um agindo sobre conjuntos definidos de genes, às vezes com vários fatores de transcrição trabalhando juntos para regular a expressão gênica. O laboratório de Rothenberg se concentrou em dois fatores de transcrição muito semelhantes, Runx1 e Runx3, para descobrir se eles desempenham um papel durante a cascata de mudanças bruscas na expressão gênica que faz com que progenitores semelhantes a células-tronco se transformem em células T futuras.

"Os fatores de transcrição Runx têm sido tradicionalmente subestimados nessas células T iniciais - eles estão presentes na célula em níveis constantes e estáveis ​​ao longo do desenvolvimento, então os cientistas raciocinaram que eles devem ser insignificantes na regulação de genes que precisam mudar drasticamente na expressão ao longo do tempo , "diz Rothenberg.

Em estudos anteriores, outros pesquisadores nocautearam experimentalmente um dos fatores Runx e subsequentemente descobriram que pouca mudança na célula, levando à conclusão de que Runx não era muito importante. Mas neste novo estudo, a equipe de Rothenberg descobriu que os dois fatores de transcrição Runx cobrem um ao outro, de modo que os efeitos só aparecem quando ambos são removidos - e esses resultados agora mostram que esses fatores de transcrição se comportam de maneiras muito inesperadas.

A teoria genética convencional é que quando um fator regula um gene alvo, a atividade do fator é correlacionada com o nível do gene alvo. Mas o estudo de Rothenberg descobriu que esse não era o caso dos fatores Runx. Embora os próprios fatores Runx permaneçam ativos em níveis estáveis ​​durante os principais eventos de desenvolvimento, a grande maioria dos genes que respondem aos fatores Runx mudam drasticamente de expressão durante esse período. Na verdade, os fatores Runx agem sobre genes "incrivelmente importantes" para o desenvolvimento das células T, de acordo com Rothenberg, e os regulam fortemente.

As descobertas abrem novas questões, como como os fatores Runx podem causar essas mudanças dramáticas na expressão do gene quando os próprios níveis de Runx não mudam?

A equipe também descobriu que as posições onde os fatores Runx se ligam ao genoma mudam marcadamente com o tempo, trazendo Runx para diferentes locais de DNA-alvo. A qualquer momento, o estudo descobriu, os fatores estão agindo apenas em uma fração dos genes que eles poderiam regular; eles mudam sua "atenção" de um conjunto para outro ao longo do tempo. Curiosamente, em muitas dessas mudanças, grandes grupos de proteínas Runx deixam seus locais iniciais e viajam para ocupar grupos de novos locais agrupados em grandes distâncias do genoma, à medida que atuam em genes diferentes em momentos diferentes.

"Ainda não há uma boa explicação para o comportamento desse grupo, e descobrimos que Runx está interagindo com a arquitetura genômica física de uma forma complexa, pois está regulando genes que têm padrões de expressão totalmente diferentes dos próprios fatores de transcrição", disse Shin. "O que está controlando a implantação dos fatores de transcrição? Ainda não sabemos, e é muito mais interessante do que pensávamos."

"Este trabalho tem grandes implicações para os pesquisadores que tentam modelar redes de genes e mostra que os fatores de transcrição são mais versáteis em suas ações do que as pessoas supõem", diz Rothenberg.

O artigo é intitulado "Runx1 e Runx3 conduzem o progenitor para a conversão do transcriptoma da linhagem T no comprometimento de células T de camundongo por meio da troca dinâmica de sites genômicos." Além de Shin, Hosokawa e Rothenberg, outros co-autores são o ex-pesquisador do Caltech Maile Romero-Wolf, agora da USC; o estudante de graduação Wen Zhou; Kaori Masuhara da Universidade Tokai; Victoria Tobin da UC Davis; e Ditsa Levanon e Yoram Groner do Instituto de Ciência Weizmann em Israel.

 

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