Um feito extraordinário de organização molecular ocorre dentro de cada célula humana. Cerca de dois metros e meio de DNA devem ser compactados em um núcleo que tenha apenas um décimo da largura de um fio de cabelo humano, mas o DNA deve permanecer acessível o suficiente para desempenhar funções essenciais.
Para tornar isso possível, o DNA se enrola em proteínas para formar nucleossomos. Esses nucleossomos se unem como bolas em um barbante e formam fibras de cromatina. As fibras são então compactadas ainda mais para caber dentro do núcleo.
Saiba como o DNA obtém sua forma mais compacta
Durante anos, os pesquisadores não sabiam como ocorre esse nível extra de compactação da cromatina. Em 2019, o pesquisador do HHMI Michael Rosen e sua equipe do UT Southwestern Medical Center relataram que os nucleossomos produzidos no laboratório agrupavam-se naturalmente em gotículas sem membrana chamadas condensadas. Eles descobriram que esse processo ocorre por meio da separação de fases, fenômeno semelhante às gotículas de óleo que se formam na água, e acreditam que isso reflete a forma como a cromatina se condensa dentro das células vivas.
Os condensados de cromatina consistem em centenas de milhares de moléculas que se movem rapidamente. Quando se juntam, exibem propriedades emergentes que não existem nas moléculas individuais. Este comportamento do grupo determina como os condensados se formam e como eles retêm suas características físicas.
Para compreender essas propriedades em detalhes, os cientistas precisaram observar as fibras da cromatina e os nucleossomos nas profundezas das gotículas.
O grupo de Rosen, trabalhando com a investigadora do HHMI, Elizabeth Villa, da Universidade da Califórnia, San Diego; Rosanna Callepardo-Guevara, da Universidade de Cambridge; e Zhiheng Yu, do Campus de Pesquisa Janelia do HHMI, já alcançaram esse objetivo.
Imagens de alta resolução mostram a estrutura da gota
Usando as ferramentas avançadas de imagem do Janelia, os pesquisadores obtiveram as visualizações mais detalhadas até o momento de como as moléculas estão organizadas dentro dos condensados da cromatina sintética. Essas imagens fornecem uma visão direta de como as fibras da cromatina e os nucleossomos se agrupam em estruturas semelhantes a gotículas. As mesmas técnicas de imagem também foram aplicadas para estudar a cromatina dentro de células reais.
Ao combinar essas imagens com simulações de computador e microscopia óptica, a equipe analisou as estruturas moleculares e as interações dentro dos condensados sintéticos. Isto permitiu-lhes começar a descobrir como as gotículas se formam e como se comportam.
Uma descoberta importante foi que o comprimento do DNA ligante entre os nucleossomos afeta o arranjo geral das estruturas. Este arranjo determina a interação das fibras da cromatina e forma uma rede dentro do condensado.
Essas características esclareceram por que algumas fibras de cromatina sofrem separação de fases mais facilmente do que outras e por que os condensados construídos a partir de diferentes tipos de cromatina têm propriedades materiais diferentes. Os pesquisadores também descobriram que os condensados sintéticos se assemelham muito à cromatina compactada encontrada nas células.
“O trabalho permitiu-nos relacionar as estruturas das moléculas individuais com as propriedades macroscópicas dos seus condensados, realmente pela primeira vez”, diz Rosen. “Estou confiante de que estamos apenas na ponta do iceberg – que nós e outros encontraremos formas ainda melhores de desenvolver estas relações estrutura-função na escala meso (intermediária).”
Uma base mais ampla para entender a condensação
As descobertas vão muito além da cromatina. Esta abordagem oferece um modelo para estudar muitos tipos de condensados biomoleculares, que são gotículas sem membrana envolvidas em tarefas celulares fundamentais, desde a regulação genética até respostas ao estresse.
Compreender como estas estruturas se montam e funcionam também poderia lançar luz sobre o que acontece quando a condensação se rompe, um problema que se pensa contribuir para uma variedade de doenças, desde distúrbios neurodegenerativos até ao cancro.
“Ao fazer esta investigação, compreenderemos melhor como a condensação anormal pode levar a várias doenças e potencialmente ajudar-nos a desenvolver uma nova geração de terapêutica”, diz Huabin Zhou, pós-doutorando no Rosen Lab e principal autor do novo estudo.
