Por séculos, os cientistas observaram que certas doenças parecem ser transmitidas de geração em geração, uma conexão que foi inicialmente notada por Hipócrates, que observou que algumas doenças “ocorriam em famílias”. Com o tempo, os pesquisadores aprimoraram constantemente sua capacidade de descobrir as raízes biológicas desses padrões herdados dentro do genoma humano.
Uma equipe de pesquisadores do EMBL e colaboradores desenvolveu uma ferramenta que leva a análise de célula única a um novo patamar. Esta ferramenta consegue capturar tanto variações genômicas quanto RNA dentro da mesma célula, oferecendo maior precisão e escalabilidade do que tecnologias anteriores. Essa abordagem permite que os cientistas identifiquem variações em regiões não codificantes do DNA, as áreas mais frequentemente relacionadas a doenças, proporcionando uma nova maneira de explorar como as diferenças genéticas contribuem para a saúde humana. Com sua precisão e capacidade de processar um grande número de células, a ferramenta representa um grande avanço na ligação de variantes genéticas específicas com resultados de doenças.
“Este tem sido um problema de longa data, já que os métodos atuais de célula única para estudar DNA e RNA na mesma célula têm baixa capacidade de rendimento, falta de sensibilidade e são complicados,” afirmou Dominik Lindenhofer, autor principal de um novo artigo sobre SDR-Seq publicado na Nature Methods e pós-doutorando no Grupo Steinmetz do EMBL. “Em nível de célula única, poderíamos ler variações em milhares de células, mas apenas se estas tivessem sido expressas – ou seja, apenas a partir de regiões codificadas. Nossa ferramenta funciona independentemente da localização das variantes, resultando em números de células únicas que permitem a análise de amostras complexas.”
A diferença crucial entre regiões codificantes e não codificantes
O DNA contém tanto regiões codificantes quanto não codificantes. As partes codificantes funcionam como manuais de instruções, já que seus genes são expressos em RNA, que orienta as células a construir proteínas essenciais para a vida.
As regiões não codificantes, por outro lado, contêm elementos regulatórios que guiam como as células crescem e funcionam. Mais de 95% das variantes de DNA ligadas a doenças ocorrem nessas regiões não codificantes, no entanto, os métodos atuais de célula única não tinham a sensibilidade ou a escala para estudá-las de forma eficaz. Até agora, os pesquisadores não conseguiam observar DNA e RNA da mesma célula em larga escala, limitando a compreensão de como as variantes de DNA afetam a atividade gênica e contribuem para doenças.
“Neste espaço não codificante, sabemos que existem variantes relacionadas a condições como doença cardíaca congênita, autismo e esquizofrenia que estão vastamente inexploradas, mas estas certamente não são as únicas doenças assim,” disse Lindenhofer. “Precisávamos de uma ferramenta para realizar essa exploração e entender quais variantes são funcionais em seu contexto genômico endógeno e como elas contribuem para a progressão da doença.”
Decifrando códigos que rastreiam células únicas
Para realizar o sequenciamento de DNA-RNA de célula única (SDR-seq), os pesquisadores utilizaram pequenas gotas de óleo e água, cada uma contendo uma célula única, permitindo analisar DNA e RNA simultaneamente. Esse método possibilitou o exame de milhares de células em um único experimento e a ligação direta de alterações genéticas a padrões de atividade gênica. O desenvolvimento dessa tecnologia exigiu a superação de desafios significativos e reuniu equipes das unidades de Biologia Genômica e Biologia Estrutural e Computacional do EMBL, da Escola de Medicina da Universidade de Stanford e do Hospital Universitário de Heidelberg.
Colaboradores dos grupos de Judith Zaugg e Kyung-Min Noh do EMBL desenvolveram uma técnica para preservar o RNA delicado ao “fixar” as células, enquanto biólogos computacionais do grupo de Oliver Stegle projetaram um programa especializado para decodificar o complexo sistema de códigos de DNA necessário para a análise dos dados. Embora esse software de decodificação tenha sido criado para este projeto específico, a equipe acredita que pode ser valioso para muitos outros estudos.
Pesquisadores dos grupos de Wolfgang Huber e Sasha Dietrich no EMBL e na Universitätsklinikum Heidelberg já estavam examinando amostras de linfoma de células B para outros estudos. Essas amostras de pacientes, ricas em variações genéticas, proporcionaram um caso de teste ideal para a nova tecnologia. Usando essas amostras, Lindenhofer observou como as variações no DNA estavam ligadas aos processos da doença e descobriu que células cancerosas com mais variantes mostraram sinais de ativação mais fortes que apoiam o crescimento tumoral.
“Estamos usando essas pequenas câmaras de reação para ler DNA e RNA na mesma célula única,” disse Lindenhofer. “Isso nos permite dizer com precisão se uma variante está em uma ou ambas as cópias de um gene e medir seus efeitos na expressão gênica nas mesmas células únicas. Com as células de linfoma de células B, conseguimos mostrar que, dependendo da composição de variantes das células, elas tinham diferentes propensões de pertencer a estados celulares distintos. Também pudemos observar que o aumento das variantes em uma célula estava associado a um estado de linfoma de células B mais maligno.”
As numerosas oportunidades de uma ferramenta de sequenciamento de célula única
A ferramenta SDR-seq agora oferece aos biólogos genômicos escala, precisão e velocidade para ajudar a entender melhor as variantes genéticas. Embora possa eventualmente desempenhar um papel no tratamento de uma ampla gama de doenças complexas, inicialmente pode ajudar no desenvolvimento de melhores ferramentas de triagem para diagnóstico.
“Temos uma ferramenta que pode vincular variantes a doenças,” disse Lars Steinmetz, autor sênior do artigo, líder de grupo no EMBL e professor de genética na Escola de Medicina da Universidade de Stanford. “Essa capacidade abre uma ampla gama de biologia que podemos agora descobrir. Se conseguirmos discernir como as variantes realmente regulam a doença e compreender melhor esse processo, significa que temos uma melhor oportunidade para intervir e tratá-la.”
