Doenças como o cancro e as doenças neurodegenerativas começam frequentemente com erros genéticos. Mas mesmo depois de os cientistas identificarem os genes envolvidos, continuar a ser extremamente difícil transformar esse conhecimento em tratamentos eficazes. Muitas destas doenças estão associadas a centenas de mutações que se espalham através de diferentes vias biológicas, por isso é difícil compreender como todas elas juntas causam a doença.
Um novo estudo publicado em Natureza apresenta uma solução potencial. Os pesquisadores criaram uma plataforma chamada PerturbFate que pode rastrear sistematicamente como as alterações genéticas relacionadas às doenças alteram as células e determinar para onde essas alterações convergem. Ao observar a regulação dos genes em células individuais ao longo do tempo, a equipe descobriu centros reguladores comuns dos quais dependem muitas mutações diferentes. Usando a resistência aos medicamentos contra o melanoma como teste, os investigadores mostraram que atingir estes pontos de controlo comuns pode ajudar a superar a resistência de uma variedade de causas genéticas.
“Estamos nos concentrando aqui na resistência aos medicamentos contra o câncer, mas o artigo realmente começa com uma questão mais ampla: uma vez que você sabe que uma doença está ligada a centenas de genes, como projetar uma única terapia para atingi-la?” diz Junyu Cao, chefe do Laboratório de Genômica Unicelular e Dinâmica Populacional. “Nós nos perguntamos se todos esses genes diferentes poderiam ser mediados por alguns sinais comuns a jusante que poderíamos detectar e direcionar.”
Um problema crescente na medicina genética
Os avanços no sequenciamento genético e nas tecnologias de triagem permitiram aos cientistas identificar um grande número de mutações associadas a doenças. No entanto, este progresso criou um novo e sério desafio. Os genes envolvidos em doenças muitas vezes têm funções muito diferentes dentro das células, incluindo o controle da atividade genética e o controle das vias de sinalização celular. Devido a esta complexidade, tem sido difícil desenvolver tratamentos que eliminem múltiplas mutações simultaneamente.
Cao suspeitava que essas mutações aparentemente não relacionadas poderiam não agir de forma independente. Em vez disso, eles poderiam alimentar programas downstream compartilhados que, em última análise, determinam como as células se comportam. Se isto fosse verdade, os cientistas não precisariam estudar cada mutação individualmente. Eles poderiam se concentrar em nós reguladores comuns que controlam o processo da doença.
“Queríamos desenvolver tecnologia para identificar estes nós reguladores partilhados como alvos por direito próprio”, diz Cao.
Para conseguir isso, a equipe precisava de um sistema capaz de comparar múltiplas doenças genéticas simultaneamente, ao mesmo tempo em que monitorava detalhadamente como cada uma delas alterava o formato da célula. As tecnologias existentes só conseguiam capturar parte do quadro, muitas vezes medindo uma camada de atividade celular de cada vez ou ignorando como a atividade genética muda dinamicamente ao longo do tempo.
O estudante de graduação Zihan Xu desenvolveu o PerturbFate para superar essas limitações. A plataforma permite aos pesquisadores observar como várias perturbações genéticas alteram as células em tempo real, enquanto monitoram simultaneamente a disponibilidade de DNA e a produção de RNA. Como estas medições são recolhidas numa única célula, o sistema pode revelar redes de genes que controlam o comportamento celular e identificar onde diferentes mutações causam os mesmos efeitos a jusante.
“Esta tecnologia permite-nos perturbar centenas ou milhares de genes em paralelo e depois medir alterações moleculares detalhadas em cada célula individual”, diz Cao. “Isso nos permite vincular muitas doenças genéticas diferentes às suas consequências e identificar nós reguladores”.
Rastreando a resistência aos medicamentos no melanoma
Para testar a plataforma, os pesquisadores recorreram ao melanoma, onde muitas mutações diferentes podem causar resistência ao tratamento. A equipe selecionou 143 genes previamente associados à resistência ao medicamento para melanoma Vemurafenib e os desativou sistematicamente nas células do melanoma.
O PerturbFate então rastreou como cada perturbação mudou o comportamento das células ao longo do tempo. Ao marcar o RNA recém-produzido, os pesquisadores poderiam separar a atividade genética recente dos sinais moleculares antigos. O perfil unicelular também permitiu rastrear quais genes estavam ativos, quais regiões do DNA se tornaram acessíveis e como essas mudanças evoluíram.
Esta abordagem detalhada permitiu aos cientistas compreender, célula por célula, como diferentes mutações afetam a regulação genética e para onde essas vias convergem.
“Capturamos não apenas a expressão genética, mas também a dinâmica do RNA e o estado da cromatina”, diz Cao. “Isto é fundamental para identificar os reguladores superiores que impulsionam estas doenças”.
Xu também criou um pipeline de análise computacional que combinou todas essas camadas de informações em redes reguladoras genéticas detalhadas. O sistema vinculou mudanças iniciais na atividade do fator de transcrição a mudanças posteriores na disponibilidade de DNA, produção de RNA e padrões estáveis de expressão genética.
Depois de examinar mais de 300 mil células, os pesquisadores descobriram que muitas mutações diferentes levaram consistentemente as células do melanoma ao mesmo estado de resistência aos medicamentos. Quando a equipa teve como alvo os pontos de controlo regulamentares comuns que controlam a doença, a resistência aos medicamentos foi significativamente reduzida, sugerindo uma estratégia promissora para a terapia combinada.
Um sinal de sobrevivência comum
O estudo também revelou um detalhe importante sobre o complexo mediador, estrutura celular que ajuda a regular a atividade genética. Os pesquisadores descobriram que a interrupção de diferentes partes do mesmo complexo pode causar resistência aos medicamentos através de vias biológicas completamente diferentes. Apesar dessas diferenças, as vias ainda convergiam para o mesmo sinal de sobrevivência do melanoma conhecido como VEGFC.
Quando os investigadores bloquearam o VEGFC, as células resistentes do melanoma já não conseguiam crescer.
As descobertas sugerem que mesmo doenças genéticas altamente complexas podem compartilhar vulnerabilidades comuns que podem ser direcionadas terapeuticamente. Em vez de desenvolver tratamentos individuais para cada mutação, os cientistas podem concentrar-se em vias regulatórias comuns das quais dependem múltiplas mutações.
Expandindo além do câncer
Os pesquisadores disponibilizaram publicamente o laboratório e as ferramentas computacionais do PerturbFate. Eles agora planejam estender essa abordagem além das células cultivadas e aplicá-la aos sistemas vivos.
Cao e seus colegas esperam usar a tecnologia para estudar condições como o envelhecimento e a doença de Alzheimer, ambas áreas importantes de pesquisa em seu laboratório. O seu objetivo é identificar falhas comuns em doenças complexas que possam orientar o desenvolvimento de tratamentos mais eficazes.
“Este é apenas um ponto de partida”, diz Cao. “Agora que demonstramos esta abordagem num modelo simples, estamos a trabalhar para estendê-la aos sistemas vivos para estudar doenças ainda mais complexas”.
