Pesquisadores da Universidade de Nova York criaram Hox genes – que planejam e direcionam para onde as células vão desenvolver tecidos ou órgãos – usando a nova tecnologia de DNA sintético e engenharia genômica em células-tronco.
Suas descobertas, publicadas na Ciênciaconfirme como os grupos de Hox os genes ajudam as células a aprender e lembrar onde estão no corpo.
Hox genes como arquitetos do corpo
Quase todos os animais – de humanos a pássaros e peixes – têm um eixo ântero-posterior, ou uma linha que vai da cabeça à cauda. Durante o desenvolvimento, os genes Hox atuam como arquitetos, determinando o plano para onde as células vão ao longo do eixo, bem como quais partes do corpo elas compõem. Hox os genes garantem que os órgãos e tecidos se desenvolvam no lugar certo, formando o tórax ou colocando as asas nas posições anatômicas corretas.
Se Hox os genes falham por desregulação ou mutação, as células podem se perder, desempenhando um papel em alguns tipos de câncer, defeitos congênitos e abortos espontâneos.
“Acho que não podemos entender o desenvolvimento ou a doença sem entender Hox genes”, disse Esteban Mazzoni, professor associado de biologia na NYU e co-autor sênior do estudo.
Apesar de sua importância no desenvolvimento, Hox genes são difíceis de estudar. Eles são bem organizados em grupos, com apenas Hox genes no pedaço de DNA onde são encontrados e nenhum outro gene ao seu redor (o que os cientistas chamam de “deserto de genes”). E embora muitas partes do genoma tenham elementos repetitivos, Hox os clusters não têm tais repetições. Esses fatores os tornam únicos, mas difíceis de estudar com a edição genética convencional sem afetar os vizinhos Hox genes.
Começando de novo com DNA sintético
Poderiam os cientistas criar artificiais Hox genes para melhor estudá-los, em vez de depender da edição de genes?
“Somos muito bons em ler o genoma, ou sequenciar o DNA. E, graças ao CRISPR, podemos fazer pequenas edições no genoma. Mas ainda não somos bons em escrever do zero”, explicou Mazzoni. “Escrever ou construir novos pedaços do genoma pode nos ajudar a testar a suficiência – neste caso, descobrir qual é a menor unidade do genoma necessária para que uma célula saiba onde está no corpo.”
Mazzoni juntou-se a Jef Boeke, diretor do Institute of System Genetics da NYU Grossman School of Medicine, conhecido por seu trabalho sintetizando um genoma sintético de levedura. O laboratório de Boeke estava tentando traduzir essa tecnologia para células de mamíferos.
O estudante de pós-graduação Sudarshan Pinglay no laboratório de Boeke fabricou longos filamentos de DNA sintético copiando o DNA do Hox genes de ratos. Os pesquisadores então entregaram o DNA em um local preciso dentro de células-tronco pluripotentes de camundongos. O uso das diferentes espécies permitiu aos pesquisadores distinguir entre o DNA sintético do rato e as células naturais dos camundongos.
“O Dr. Richard Feynman fez a famosa opinião: ‘O que não posso criar, não entendo.’ Estamos agora a um passo gigantesco de compreender Hox”, disse Boeke, que também é professor de bioquímica e farmacologia molecular na NYU Grossman e é co-autor sênior do estudo.
Estudo Hox aglomerados
Com o artificial Hox DNA em células-tronco de camundongos, os pesquisadores agora podem explorar como Hox os genes ajudam as células a aprender e lembrar onde estão. Nos mamíferos, Hox clusters são cercados por regiões reguladoras que controlam como o Hox genes são ativados. Não se sabia se o cluster sozinho ou o cluster mais outros elementos eram necessários para que as células aprendessem e lembrassem onde estão.
Os pesquisadores descobriram que esses aglomerados densos de genes sozinhos contêm todas as informações necessárias para as células decodificarem um sinal posicional e se lembrarem dele. Isso sugere que a natureza compacta de Hox aglomerados é o que ajuda as células a aprender sua localização, confirmando uma hipótese de longa data sobre Hox genes que antes eram difíceis de testar.
A criação de DNA sintético e Hox genes abre caminho para pesquisas futuras sobre desenvolvimento animal e doenças humanas.
“Diferentes espécies têm diferentes estruturas e formas, muitas das quais dependem de como Hox os clusters são expressos. Por exemplo, uma cobra é um tórax longo sem membros, enquanto um skate não tem tórax e é apenas membros. Uma melhor compreensão de Hox aglomerados podem nos ajudar a entender como esses sistemas se adaptam e se modificam para criar diferentes animais”, disse Mazzoni.
“De forma mais ampla, essa tecnologia de DNA sintético, para a qual construímos uma espécie de fábrica, será útil para estudar doenças genômicamente complicadas e agora temos um método para produzir modelos muito mais precisos para elas”, disse Boeke.
Este trabalho foi financiado em parte pelos National Institutes of Health (concede RM1HG009491, R01AG075272, R01NS100897, R01GM127538 e F32CA239394), New York State Stem Cell Science (C322560GG) e Melanoma Research Foundation (687306).