A arquitetura do genoma 3D influencia o sucesso da terapia genética SCID-X1

Pacientes com distúrbio de imunodeficiência combinada grave ligada ao cromossomo X (SCID-X1), às vezes chamado de “doença do menino-bolha”, nascem com um gene defeituoso que os impede de produzir células imunológicas. A terapia genética do St. Jude Children’s Research Hospital restaurou o sistema imunológico em vários bebês com SCID-X1 em 2019, fornecendo cópias do gene corrigido.

Através de esforços contínuos para monitorar a segurança do paciente, os cientistas da St. Jude documentaram recentemente onde as cópias dos genes se integram ao DNA do paciente, fornecendo uma base para compreender a biologia e a segurança do uso de vetores lentivirais. As descobertas foram publicadas hoje em Avanços da Ciência.

“Agora temos um pipeline robusto para monitorar a segurança das terapias genéticas lentivirais”, disse o co-autor sênior Jiyang Yu, Ph.D., presidente interino do Departamento de Biologia Computacional de St. “Isso realmente dá esperança aos pacientes com doenças genéticas que podem ser curadas pela terapia genética lentiviral. Parece que curamos a doença do menino-bolha com segurança nesses pacientes”. A equipe do St. Jude publicou todo o pipeline computacional junto com o manuscrito.

Vários anos após o tratamento, a terapia genética lentiviral St. Jude para SCID-X1 parece eficaz e segura, ao contrário das abordagens retrovirais anteriores. Os investigadores identificaram onde o gene foi adicionado ao ADN dos pacientes e porque é que o vector se integrou naquele local específico. Os cientistas já sabiam que as terapias genéticas lentivirais se integravam em diferentes áreas do ADN que pareciam mais seguras do que as tecnologias anteriores, mas não conseguiam explicar porquê.

A estrutura do genoma 3D é a chave para a terapia genética SCID-X1

Os cientistas descobriram que cópias do novo gene corrigido foram inseridas em certos hotspots genômicos para os pacientes do estudo. A razão era aparentemente simples: de uma perspectiva estrutural 3D, os hotspots são regiões que o vetor lentiviral encontra pela primeira vez depois de entrar no núcleo da célula através de um canal chamado poro nuclear.

“É como se alguém entrasse em uma sala e ocupasse o primeiro assento disponível perto da porta”, disse o co-correspondente Stephen Gottschalk, MD, presidente do Departamento de Transplante de Medula Óssea e Terapia Celular de St. “A sala é o núcleo. Os assentos são esses elementos de DNA bem perto da porta do poro nuclear. Isso nunca me ocorreu antes deste estudo, mas é um princípio muito simples no final.”

O grupo St. Jude descobriu que o padrão do local de integração da terapia genética nas células dos pacientes esclarece a segurança e a eficácia da abordagem.

“Realizamos uma análise multiômica unicelular abrangente desta terapia genética para entender se uma cópia funcional do gene corrigido estava nas células dos pacientes, até que ponto o gene foi expresso e a organização da cromatina em nível unicelular. ” disse o primeiro autor Koon-Kiu Yan, Ph.D., Departamento de Biologia Computacional St. Jude. “Antes deste estudo, podíamos medir a expressão genética geral de um grande grupo de células. Mas com amostras de medula óssea de dois pacientes, vimos em nível unicelular quais genes eram expressos em quais tipos de células.”

Usando essa análise unicelular, juntamente com outros trabalhos, Yan mostrou que a segurança e a eficácia do tratamento também estão relacionadas à integração em compartimentos próximos ao poro nuclear. Esforços anteriores de terapia genética foram integrados em promotores próximos ou diretamente em oncogenes, causando câncer.

O vetor lentiviral usado por St. Jude evita seletivamente os promotores sem interromper os oncogenes, melhorando a segurança do tratamento. O mesmo padrão foi observado com uma terapia genética lentiviral usada para criar células T receptoras de antígenos quiméricos (CAR), sugerindo que o fenômeno pode ser um mecanismo geral não restrito ao vetor SCID-X1.

“Os dados do padrão de integração poderiam servir como um mapa de locais de integração potencialmente seguros”, explicaram Yu e Gottschalk. “A análise unicelular é como uma cartografia profunda, um mapa com uma resolução quase perfeita em pixels. O grande número de locais de integração poderia ser usado como uma referência de segurança para futuras terapias genéticas lentivirais.”

Um caso foi especialmente notável: descobriu-se que o paciente que necessitou de uma segunda dose da terapia genética para alcançar a cura tinha um padrão de integração diferente dos pacientes que responderam à primeira dose. Depois de receber a segunda dose, o padrão de integração do paciente se assemelhava aos demais”, e a terapia foi eficaz. Este estudo fornece uma base para a compreensão das diferenças na resposta ao tratamento, para que futuras terapias genéticas possam ser melhoradas.