Cientistas da Universidade Rockefeller desenvolveram uma tecnologia revolucionária chamada PerturbFate que pode transformar o tratamento de doenças complexas como câncer e Alzheimer. A ferramenta revela caminhos genéticos ocultos que conectam centenas de mutações diferentes, identificando pontos de controle comuns que podem ser alvos terapêuticos.
Doenças como câncer e transtornos neurodegenerativos frequentemente começam com erros genéticos. Apesar dos avanços na identificação dos genes envolvidos, converter esse conhecimento em tratamentos eficazes permanece extremamente desafiador. Muitas dessas doenças estão ligadas a centenas de mutações espalhadas por diferentes vias biológicas, tornando difícil entender como elas coletivamente impulsionam a doença.
Um novo estudo publicado na revista Nature apresenta uma solução potencial. Os pesquisadores criaram uma plataforma chamada PerturbFate que pode rastrear sistematicamente como alterações genéticas relacionadas à doença alteram as células e identificar onde essas mudanças convergem. Ao observar a regulação gênica em células individuais ao longo do tempo, a equipe descobriu hubs regulatórios compartilhados que muitas mutações diferentes dependem.
Usando a resistência a medicamentos contra melanoma como caso de teste, os pesquisadores demonstraram que direcionar esses pontos de controle comuns pode ajudar a superar a resistência em múltiplas causas genéticas. “Nós nos concentramos aqui na resistência a medicamentos contra o câncer, mas o artigo realmente parte de uma pergunta mais ampla: uma vez que você sabe que uma doença está associada a centenas de genes, como projetar uma única terapia para combatê-la?”, questionou Junyue Cao, chefe do Laboratório de Genômica de Célula Única e Dinâmica Populacional.
Os avanços na sequenciamento genético e tecnologias de triagem permitiram que cientistas identificassem grandes números de mutações ligadas a doenças. No entanto, esse progresso criou um novo desafio significativo. Os genes envolvidos na doença frequentemente realizam tarefas muito diferentes dentro das células, incluindo controle da atividade gênica e gerenciamento de vias de sinalização. Devido a essa complexidade, o desenvolvimento de tratamentos que abordem muitas mutações de uma vez tem sido difícil.
Cao suspeitava que essas mutações aparentemente não relacionadas poderiam não agir independentemente. Em vez disso, elas poderiam convergir para programas downstream compartilhados que determinam como as células se comportam. Se isso fosse verdade, os cientistas não precisariam direcionar cada mutação separadamente. Eles poderiam se concentrar em nós regulatórios comuns que controlam o processo da doença.
O estudante de pós-graduação Zihan Xu desenvolveu o PerturbFate para superar essas limitações. A plataforma permite que os pesquisadores observem como diferentes perturbações genéticas alteram as células em tempo real, rastreando simultaneamente a acessibilidade do DNA e a produção de RNA. Como essas medições são coletadas dentro da mesma célula individual, o sistema pode revelar as redes gênicas que controlam o comportamento celular e identificar onde mutações distintas produzem os mesmos efeitos downstream.
“Esta tecnologia nos permite perturvar centenas a milhares de genes em paralelo e depois medir as mudanças moleculares detalhadas em cada célula individual”, explicou Cao. “Isso nos permite vincular muitas perturbações genéticas diferentes aos seus efeitos downstream e identificar nós regulatórios.”
Para testar a plataforma, os pesquisadores se voltaram para o melanoma, onde muitas mutações diferentes podem produzir resistência ao tratamento. A equipe selecionou 143 genes anteriormente associados à resistência ao medicamento Vemurafenib para melanoma e os desativou sistematicamente em células de melanoma.
O PerturbFate então monitorou como cada perturbação alterava o comportamento celular ao longo do tempo. Ao rotular RNA recém-produzido, os pesquisadores puderam separar a atividade gênica recente de sinais moleculares mais antigos. A perfilagem de células individuais também permitiu que eles rastreassem quais genes estavam ativos, quais regiões do DNA se tornaram acessíveis e como essas mudanças evoluíram.
Essa abordagem detalhada deu aos cientistas uma visão célula por célula de como diferentes mutações influenciam a regulação gênica e onde essas vias eventualmente convergem. “Estamos capturando não apenas a expressão gênica, mas também a dinâmica do RNA e o estado da cromatina”, disse Cao. “Isso é crucial para identificar os reguladores upstream que impulsionam esses estados de doença.”
Xu também criou um pipeline de análise computacional que combinou todas essas camadas de informação em redes regulatórias gênicas detalhadas. O sistema conectou mudanças iniciais na atividade de fatores de transcrição com mudanças posteriores na acessibilidade do DNA, produção de RNA e padrões estáveis de expressão gênica.
Após examinar mais de 300.000 células, os pesquisadores descobriram que muitas mutações diferentes consistentemente empurravam as células de melanoma para o mesmo estado de resistência a medicamentos. Quando a equipe direcionou os pontos de controle regulatório compartilhados que impulsionavam esse estado, a resistência a medicamentos diminuiu significativamente, sugerindo uma estratégia promissora para terapias combinadas.
O estudo também revelou um detalhe importante envolvendo o Complexo Mediator, uma estrutura celular que ajuda a regular a atividade gênica. Os pesquisadores descobriram que perturbar diferentes partes do mesmo complexo poderia desencadear resistência a medicamentos por rotas biológicas completamente diferentes. Apesar dessas diferenças, as vias ainda convergiam para o mesmo sinal de sobrevivência de melanoma conhecido como VEGFC.
Quando os pesquisadores bloquearam o VEGFC, as células de melanoma resistentes não puderam mais crescer. Os achados sugerem que mesmo doenças genéticas muito complexas podem depender de vulnerabilidades compartilhadas que podem ser alvo terapêutico. Em vez de projetar tratamentos separados para cada mutação, os cientistas podem se concentrar em vias regulatórias comuns que múltiplas mutações dependem.
Os pesquisadores tornaram tanto as ferramentas de laboratório quanto as computacionais por trás do PerturbFate publicamente disponíveis. Eles agora planejam expandir a abordagem além de células cultivadas e aplicá-la a sistemas vivos. Cao e seus colegas esperam usar a tecnologia para estudar condições como envelhecimento e doença de Alzheimer, ambas grandes áreas de pesquisa em seu laboratório.
“Este é apenas um ponto de partida”, disse Cao. “Agora que demonstramos a abordagem em um modelo simples, estamos trabalhando para estendê-la a sistemas vivos para estudar doenças ainda mais complexas.”
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