Os genes são como hieróglifos egípcios. Graças aos avanços no sequenciamento do genoma completo, é cada vez mais fácil ler cada letra do DNA. Mas as cordas de A, T, C e G trazem um segundo enigma: o que elas significam, se é que significam alguma coisa?
É um problema que assombra os biólogos desde a conclusão do Projeto Genoma Humano. Ao explorar nosso código de base genética, o projeto supunha, seríamos capazes de dominar o controle de doenças hereditárias, editá-las à vontade e prever facilmente as consequências de qualquer gene que estabelecesse as bases para nossos corpos, funções e vidas.
A visão não funcionou. As sequências de DNA, enquanto capturam informações genéticas extremamente poderosas, não se traduzem necessariamente em indicar como nossos corpos se comportam. Os genes podem ser ativados ou desativados em diferentes tecidos, dependendo da necessidade da célula. Ler uma sequência de DNA para qualquer gene é como analisar o código básico do programa interno de uma célula. Existe o código genético bruto – o genótipo – que determina o fenótipo, o software da vida que controla como as células se comportam. Ligar os dois levou décadas de experimentos meticulosos, construindo lentamente uma enciclopédia de conhecimento que decodifica a influência de um gene nas funções biológicas.
Um novo estudo aumentou o esforço. Liderado pelos Drs. Thomas Norman e Jonathan Weissman no Memorial Sloan Kettering Cancer Center em Nova York e na Universidade da Califórnia, em São Francisco, respectivamente, a equipe construiu uma Rosetta Stone para traduzir genótipos em fenótipos, com a ajuda do CRISPR.
Eles ficaram grandes. Alterando a expressão do gene em mais de 2,5 milhões de células humanas, a tecnologia, apelidada de Perturb-seq, mapeou de forma abrangente como cada perturbação genética altera a célula. A tecnologia gira em torno de uma espécie de CRISPR em esteróides. Uma vez introduzido nas células, o Perturb-seq altera rapidamente milhares de genes – uma mudança brutal na escala genômica para ver como células individuais respondem.
Em outras palavras, Perturb-seq é uma ferramenta em grande escala que pode ajudar os cientistas a traduzir o código do DNA para funcionar – uma Pedra de Roseta para descobrir o funcionamento interno de nossas células. Anos em construção, o conjunto de dados está aberto para qualquer pessoa explorar.
“Acho que esse conjunto de dados permitirá todos os tipos de análises que ainda nem pensamos por pessoas que vêm de outras partes da biologia e, de repente, elas têm isso disponível para usar”, disse Norman.
Perdido na tradução
Qual é a função de um gene? É fácil pensar que os genes são o seu destino, mas isso está longe de ser verdade. Fatores ambientais, como uma tigela enorme de espaguete ou uma caminhada pela praia, podem facilmente alterar a expressão genética, as funções corporais e, potencialmente, seu corpo e mente.
Se for esse o caso, qual é o sentido de sequenciar genomas inteiros se o resultado está sempre em fluxo? “Um objetivo central da genética é definir as relações entre genótipo e fenótipo”, disseram os autores. Em outras palavras, o que qualquer gene realmente faz?
Os cientistas há muito procuram construir uma ponte entre o genótipo e o fenótipo. É um processo minucioso. Um método, por exemplo, perturba genes que podem estar relacionados a um distúrbio um a um e observa o comportamento das células. Apelidada de “genética avançada”, a ideia é focada no gene, em vez de focar no fenótipo. Uma abordagem alternativa, “genética reversa”, mergulha profundamente em como um corpo ou mente muda com uma edição genética específica.
Cada método é uma luta árdua. Com mais de 20.000 genes em nossos corpos e cada célula se comportando de maneira ligeiramente diferente (mesmo com as mesmas alterações genéticas), decifrar a função de um gene geralmente leva anos, se não décadas.
Existe alguma maneira de acelerar o processo?
A Pedra de Roseta CRISPR
Digite CRISPR. Há muito reverenciado como uma multiferramenta de edição genética, o método floresceu ainda mais como um tradutor biológico. No seu cerne está uma tecnologia chamada Perturb-seq, publicada pela primeira vez em 2016 para dissecar a expressão de genes. Perturb-seq torna possível acompanhar as consequências de ativar ou desativar um gene em uma única célula. O método rapidamente ganhou fama em 2020 por sua eficiência em alterar vários genes de uma só vez.
É uma grande vitória para a biologia celular, disse a equipe. Embora os cientistas tenham prontamente eliminado a enorme teia que conecta genes e proteínas, definir o papel dos genes individuais tem sido uma luta. “Muitas vezes pegamos todas as células onde o ‘gene X’ é derrubado e fazemos a média delas para ver como elas mudaram”, disse Weissman. “Mas às vezes, quando você derruba um gene, células diferentes que estão perdendo o mesmo gene se comportam de maneira diferente, e esse comportamento pode ser perdido pela média”.
A ideia por trás do Perturb-seq é bem simples. Imagine uma criança quebrando coisas e percebendo o que fez depois de ver as consequências. Perturb-seq usa CRISPR-Cas9 para silenciar vários genes de uma só vez, o que às vezes pode mudar o comportamento de uma célula. Embora poderosa, a ferramenta tem sido difícil de dimensionar, estudando no máximo algumas centenas de perturbações genéticas de uma só vez para questões biológicas pré-definidas.
Então, por que não expandir o método para todo o genoma?
“A vantagem do Perturb-seq é que ele permite que você obtenha um grande conjunto de dados de maneira imparcial”, disse Norman. “Ninguém sabe inteiramente quais são os limites do que você pode obter desse tipo de conjunto de dados. Agora, a questão é: o que você realmente faz com isso?”
A vida de uma célula
No novo estudo, a equipe encontrou pela primeira vez o molho mágico para fazer mudanças em todo o genoma em células humanas com CRISPR. Um ponto importante foi otimizar uma biblioteca de RNAs guia (sgRNAs), os “besteiros” que rastreiam um gene. Em seguida, eles capturaram células infectadas com CRISPR e analisaram sua expressão gênica. No geral, a equipe se concentrou em quase 2.000 genes. Fazendo referência cruzada de genes alterados com o fenótipo de cada célula, eles agruparam genes em redes que se vinculavam a um resultado celular.
Um gene enigmático se destacou: C7orf26. Negá-lo com CRISPR mudou a forma como uma célula constrói um enorme complexo molecular, apelidado de Integrador, que ajuda a produzir moléculas que controlam a atividade dos genes. Antes de Perturb-seq, C7orf26 nunca havia sido associado ao complexo antes.
Em outra análise, a equipe encontrou um subconjunto de genes que altera a forma como as “células filhas” herdam o genoma pai. Por exemplo, a remoção de alguns genes alterou a distribuição dos cromossomos à medida que uma célula se divide. Adicionar ou remover um cromossomo pode mudar fundamentalmente nossa biologia, como levar à Síndrome de Down.
Para Norman, esse aspecto é a parte mais interessante do Perturb-seq. “Ele captura um fenótipo que você só pode obter usando uma leitura de célula única. Você não pode ir atrás de outra maneira.”
Este banco de dados é apenas o começo. A equipe está procurando usar Perturb-seq em outros tipos de células humanas, e todos os dados estão disponíveis para colaboração. Com o surgimento do Ultima Genomics, uma solução de sequenciamento genômico de custo ultrabaixo, as telas CRISPR de célula única provavelmente desempenharão um papel ainda maior na biotecnologia, como na análise dos genomas de iPSCs (células-tronco pluripotentes induzidas).
Para Weissman, pode até provocar uma mudança na forma como abordamos os mistérios celulares. “Em vez de definir com antecedência qual biologia você vai analisar, você tem esse mapa das relações genótipo-fenótipo e pode acessar e examinar o banco de dados sem ter que fazer nenhum experimento”, disse ele.
