Por séculos, os cientistas notaram que certas doenças parecem ser transmitidas de geração em geração, uma conexão que foi notada pela primeira vez por Hipócrates, que observou que algumas doenças “apareciam nas famílias”. Com o tempo, os pesquisadores aprimoraram gradualmente sua capacidade de descobrir as raízes biológicas desses padrões herdados dentro do genoma humano.
Uma equipe de pesquisadores do EMBL e colaboradores criou uma ferramenta que leva a análise de célula única a um novo nível. Ela pode capturar tanto variações genômicas quanto RNA dentro da mesma célula, oferecendo maior precisão e escalabilidade do que as tecnologias anteriores. Essa abordagem permite que os cientistas identifiquem variações em regiões não codificantes do DNA, áreas frequentemente ligadas 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 marca um passo importante para vincular variantes genéticas específicas a resultados de doenças.
“Esse tem sido um problema de longa data, uma vez que os métodos atuais de célula única para estudar DNA e RNA na mesma célula têm uma capacidade limitada, carecem de sensibilidade e são complicados”, disse Dominik Lindenhofer, o 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, você poderia detectar variantes em milhares de células, mas apenas se tivessem sido expressas — ou seja, apenas em regiões codificadas. Nossa ferramenta funciona, independentemente de onde as variantes estão localizadas, produzindo números de célula única que possibilitam a análise de amostras complexas.”
A diferença importante entre regiões codificantes e não codificantes
O DNA contém regiões codificantes e não codificantes. As partes codificantes funcionam como manuais de instruções, uma vez que seus genes são expressos em RNA, que orienta as células na construção de proteínas essenciais para a vida.
Por outro lado, as regiões não codificantes contêm elementos regulatórios que orientam 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 tiveram a sensibilidade ou escala para estudá-las de forma eficaz. Até agora, os pesquisadores eram incapazes de observar DNA e RNA da mesma célula em grande escala, limitando o entendimento de como as variantes do DNA afetam a atividade gênica e contribuem para doenças.
“Nesse espaço não codificante, sabemos que existem variantes relacionadas a doenças como cardiopatia congênita, autismo e esquizofrenia que estão vastamente inexploradas, mas essas certamente não são as únicas doenças assim”, disse Lindenhofer. “Precisávamos de uma ferramenta para explorar isso e entender quais variantes são funcionais em seu contexto genômico endógeno e como 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 usaram minúsculas gotas de água e óleo, cada uma contendo uma única célula, permitindo que analisassem DNA e RNA simultaneamente. Esse método possibilitou examinar milhares de células em um único experimento e vincular diretamente mudanças genéticas a padrões de atividade gênica. O desenvolvimento dessa tecnologia exigiu superar 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 maneira de preservar o delicado RNA “fixando” as células, enquanto os biólogos computacionais do grupo de Oliver Stegle projetaram um programa especializado para decodificar o complexo sistema de codificação de DNA necessário para a análise de dados. Embora esse software de decodificação tenha sido construído 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 no Universitätsklinikum Heidelberg já estavam examinando amostras de linfoma B para outros estudos. Essas amostras de pacientes, ricas em variação genética, forneceram um caso de teste ideal para a nova tecnologia. Usando essas amostras, Lindenhofer observou como as variações no DNA estavam ligadas a processos da doença e descobriu que células cancerosas com mais variantes mostraram sinais de ativação mais robustos que apoiam o crescimento tumoral.
“Estamos usando essas pequenas câmaras de reação para ler DNA e RNA na mesma célula”, 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. Com as células de linfoma B, conseguimos mostrar que, dependendo da composição de variantes das células, elas tinham diferentes propensões a pertencer a estados celulares distintos. Também pudemos ver que um aumento de variantes em uma célula estava, na verdade, associado a um estado de linfoma B mais maligno.”
As muitas oportunidades de uma ferramenta de sequenciamento de célula única
A ferramenta SDR-seq agora oferece aos biólogos genômicos escalas, 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, pode primeiro ajudar no desenvolvimento de melhores ferramentas de triagem para diagnóstico.
“Temos uma ferramenta que pode vincular variantes a doenças”, disse Lars Steinmetz, coautor sênior do artigo, líder de grupo do EMBL e professor de genética na Escola de Medicina da Universidade de Stanford. “Essa capacidade abre uma ampla gama de biologia que agora podemos descobrir. Se conseguirmos discernir como as variantes realmente regulam doenças e entender melhor esse processo da doença, isso significa que temos uma melhor oportunidade de intervir e tratá-la.”
