Estudos revelam como o enovelamento do genoma em 3D molda o desenvolvimento humano inicial e a meiose

Dois estudos de pesquisadores do MRC Laboratory of Medical Sciences (LMS) e do Imperial College London revelam como a arquitetura tridimensional do genoma pré-organiza a atividade gênica durante o desenvolvimento humano inicial. Um estudo, publicado na Cell Reports, mostra que os enhancers formam contatos físicos com seus genes-alvo futuros muito antes de esses genes serem ativados, ajudando a pré-selecioná-los para ativação rápida. O outro, publicado na Nature Structural & Molecular Biology, descobre que as células germinativas embrionárias reestruturam seus cromossomos de forma única antes da meiose, uma etapa que pode ser crítica para criar espermatozoides e óvulos funcionais em laboratório.

Todas as células do corpo contêm o mesmo conjunto de genes. Regiões do DNA chamadas enhancers atuam como “interruptores moleculares” que ligam e desligam genes no tipo celular e nas condições corretas. Como os enhancers frequentemente estão distantes no fio de DNA dos genes que controlam, eles precisam se aproximar por meio de looping do DNA no espaço tridimensional do núcleo. Usando uma técnica de alta resolução chamada Capture Hi-C, a equipe mapeou os contatos cromossômicos dos enhancers em células-tronco pluripotentes humanas em transição do estado naïve para o estado primed, uma janela crítica no início da embriogênese humana, quando as células passam por mudanças cruciais na expressão gênica, no estado da cromatina e no potencial de desenvolvimento. Durante esse período, muitos enhancers que controlam genes responsáveis pelo desenvolvimento embrionário adquirem um estado de cromatina intermediário, “poised” (em prontidão), entre “ligado” e “desligado”, e fazem conexões físicas com seus genes-alvo futuros.

Os resultados mostram que muitos enhancers formam contatos cromossômicos com genes muito antes de esses genes serem ativados, e esses contatos pré-formados são frequentemente mantidos até que os genes precisem ser ativados posteriormente. Para testar a importância funcional dessa pré-conexão, a equipe ativou artificialmente um enhancer “poised” usando CRISPR direcionado. Isso ativou um gene já conectado ao enhancer em 3D, mas não um gene localizado mais próximo ao longo do cromossomo que não tinha esse contato. O autor sênior do estudo disse: “Mesmo antes de qualquer expressão gênica ocorrer, o genoma já está configurado para permitir que os enhancers corretos sejam ativados. Esse é um processo fundamental que ajuda a definir a identidade celular ao longo da vida.” O trabalho complementa outro estudo recente do instituto que demonstra o projeto genômico 3D dos primeiros passos do desenvolvimento embrionário em Drosophila.

No segundo estudo, os pesquisadores se concentraram nas células germinativas — os precursores embrionários dos óvulos e espermatozoides. Antes que essas células possam se transformar em gametas, elas passam por uma reprogramação epigenética, apagando e reconstruindo marcas químicas no DNA e reorganizando como o DNA é empacotado dentro da célula. Essa reprogramação prepara as células para a meiose. Ao estudar células germinativas de camundongos ao microscópio, a equipe descobriu que, por volta de 14,5 dias após a fertilização, a região constrita dos cromossomos — o centrômero — torna-se ancorada à borda do núcleo. O mesmo fenômeno era visível em células germinativas iniciais em embriões humanos com 14 semanas após a concepção. A análise de Hi-C revelou que, nesse ponto de transição, a organização tridimensional do genoma torna-se menos estruturada e os cromossomos ficam mais separados dentro do núcleo. De acordo com o primeiro autor, essa é a primeira vez que alguém vê essa mudança na conformação cromossômica nesse estágio crucial do desenvolvimento, logo antes do início da meiose.

Essa descoberta pode ajudar a explicar um dos maiores desafios da biologia reprodutiva: recriar a meiose em laboratório. Células germinativas primordiais semelhantes (PGCLCs) geradas em laboratório frequentemente não completam todas as etapas da meiose. A equipe estudou PGCLCs de camundongos geradas em laboratório e não observou a mesma migração do centrômero, sugerindo que essa mudança estrutural pode ser necessária para que a meiose ocorra corretamente. O autor sênior disse: “Nosso estudo revelou uma reestruturação da arquitetura do genoma anteriormente desconhecida e, francamente, muito surpreendente, que ocorre nas células germinativas em desenvolvimento e que acreditamos ser crítica para a execução bem-sucedida da meiose.” Os achados fornecem uma nova base para melhorar a gametogênese in vitro, o que pode levar a novos tratamentos para a infertilidade.

O estudo da Cell Reports foi financiado pelo Medical Research Council, pelo Biotechnology and Biological Sciences Research Council e pelo Wellcome Trust. O estudo da Nature Structural & Molecular Biology foi financiado pelo Medical Research Council, pelo European Research Council, pela Academy of Medical Sciences e pelo Department of Business, Energy and Industrial Strategy.