Estudo explora os efeitos de alterações no genoma não codificante em distúrbios do neurodesenvolvimento

Menos de 2% do genoma humano é composto por genes que codificam proteínas, sendo os 98% restantes não codificantes e envolvidos na regulação da expressão gênica. Os cientistas descobriram muitas alterações na região codificadora do genoma que desligam diretamente os genes e levam à doença, e agora estão descobrindo que as alterações nas regiões não codificantes do genoma também têm consequências clínicas.

Em um novo estudo, pesquisadores do Broad Institute of MIT e Harvard e Massachusetts General Hospital (MGH) descobriram que variantes estruturais na região não codificante perto de um gene chamado MEF2C – um fator de transcrição que tem sido associado a distúrbios do neurodesenvolvimento (NDDs) – podem imitar os efeitos de mudanças no próprio gene.

Seu artigo, publicado em 24 de outubro na O Jornal Americano de Genética Humanaé o primeiro a descrever os efeitos de longo alcance de variantes codificantes e não codificantes de MEF2C em linhagens de células neuronais humanas, e sugere que tanto as rupturas indiretas quanto diretas do gene podem ter efeitos semelhantes a jusante.

“Este é um bom modelo conceitual de como diferentes edições, diferentes mecanismos regulatórios e diferentes tipos de mutação podem realmente influenciar o mesmo gene e ter uma série variada de consequências em saúde humana e doenças”, disse Michael Talkowski, autor sênior do artigo, membro do Instituto Broad’s Program in Medical and Population Genetics e Stanley Center for Psychiatric Research, bem como diretor do Center for Genomic Medicine e membro do corpo docente do Departamento de Neurologia do MGH.

Além do genoma codificador

Está bem estabelecido que as variantes estruturais que alteram o MEF2C aumentam as chances de desenvolver NDDs, incluindo transtorno do espectro do autismo, atraso no desenvolvimento, deficiência intelectual, epilepsia e muito mais. O gene em si é intolerante a mudanças – se um indivíduo herdar apenas uma cópia alterada do gene, suas células não podem produzir o suficiente da proteína MEF2C (um fenômeno chamado haploinsuficiência), o que aumenta as chances de NDD.

Os cientistas foram capazes de ver os efeitos da haploinsuficiência em modelos de camundongos, onde a perda de uma única cópia de MEF2C altera o desenvolvimento do cérebro e reduz a atividade eletroquímica nos neurônios. Talkowski e sua equipe, liderada por Harvard Ph.D. estudante Kiana Mohajeri e Instrutora de Neurologia Rachita Yadav, queria provar que esses achados poderiam ser replicados em células humanas.

A equipe começou avaliando os efeitos de diferentes mudanças dentro e ao redor do MEF2C em linhagens de células neuronais derivadas de células-tronco pluripotentes induzidas editadas por CRISPR/Cas9 para modelar 6 variantes estruturais diferentes. Eles fizeram uma descoberta inesperada: células com uma alteração específica no limite do loop proximal no DNA não codificante perto de MEF2C, mas não diretamente no gene, ainda produziam níveis mais baixos da proteína MEF2C e lutavam para conduzir sinais eletroquímicos. Mudanças no genoma não codificante pareciam espelhar exatamente os efeitos de alterações diretas no gene.

“Encontramos o equivalente a haploinsuficiência em casos em que o genoma em torno do MEF2C foi rearranjado”, disse Talkowski. “Isso levou à hipótese de que a organização tridimensional estava sendo interrompida, levando a algo que parecia haploinsuficiência”.

Conclusões imprevisíveis

A equipe começou a explorar sistematicamente se certas alterações das regiões não codificantes ao redor do MEF2C teriam efeitos a jusante semelhantes às alterações no gene. Eles analisaram variações dentro do domínio de associação topológica (TAD) que inclui MEF2C. TADs são grandes vizinhanças genômicas que contêm genes e elementos de DNA reguladores de genes não codificantes que supostamente interagem entre si, tornando a região ao redor de MEF2C um provável ponto de acesso para as mudanças genéticas não codificantes que os cientistas estavam procurando.

Eles descobriram que as linhagens de células neuronais que carregam alterações MEF2C induzidas por CRISPR mostraram uma menor expressão de genes relacionados a vias de desenvolvimento neurológico e uma capacidade reduzida de transmitir sinais elétricos entre as células.

Estudar mudanças no genoma não-codificante não foi tão simples. A equipe inicialmente pensou que interromper uma borda do TAD do MEF2C – uma área chamada limite do loop distal – teria os mesmos efeitos que alterar diretamente o MEF2C. Mas essas rupturas não pareciam mudar a forma como os neurônios funcionavam.

Foi somente quando eles romperam o limite na outra extremidade do TAD do MEF2C – o chamado limite do loop proximal – que a equipe conseguiu imitar os efeitos das mutações do MEF2C. Neurônios que carregavam essas perturbações lutavam para passar sinais para seus vizinhos.

Embora a descoberta tenha confirmado as suspeitas dos pesquisadores de que diferentes mecanismos de perda de MEF2C podem ter efeitos semelhantes no nível celulartambém apresenta uma série de novas questões sobre como as alterações no DNA não codificante podem levar a certos distúrbios.

“Existem todos esses diferentes níveis de complexidade em expressão genetica regulamentação, e é muito difícil prever a priori”, disse Yadav, co-autor do estudo.

O artigo explora algumas das maneiras pouco estudadas em que um gene pode ser interrompido, mas como a relação entre a regulação e a expressão do gene é de várias camadas, os cientistas precisam se aprofundar para entender melhor os mecanismos que conectam as mudanças no genoma não codificante ao celular. e resultados clínicos.

“Existem meandros extraordinários que governam a regulação desses genes complexos de desenvolvimento neurológico, e dissecamos alguns pedaços deles com nossos ensaios, mas não estamos nem perto de capturar a imagem completa”, disse Talkowski.