Cientistas descobrem fraqueza oculta compartilhada por centenas de mutações do câncer

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 identificar para onde essas alterações convergem. Ao observar a regulação genética em células individuais ao longo do tempo, a equipe descobriu centros reguladores compartilhados dos quais dependem muitas mutações diferentes. Utilizando a resistência aos medicamentos contra o melanoma como teste, os investigadores mostraram que visar estes pontos de controlo comuns poderia ajudar a superar a resistência através de múltiplas causas genéticas.

“Nós nos concentramos aqui na resistência aos medicamentos contra o câncer, mas o artigo realmente parte de uma questão mais ampla: uma vez que você sabe que uma doença está associada a centenas de genes, como projetar uma terapia para atingi-la?” diz Junyue Cao, chefe do Laboratório de Genômica Unicelular e Dinâmica Populacional. “Nós nos perguntamos se todos esses genes diferentes podem ser mediados por alguma sinalização compartilhada a jusante que podemos descobrir e direcionar.”

Um desafio crescente na medicina genética

Os avanços no sequenciamento genético e nas tecnologias de triagem permitiram aos cientistas identificar um grande número de mutações ligadas a doenças. No entanto, este progresso criou um novo e importante desafio. Os genes envolvidos nas doenças muitas vezes desempenham funções muito diferentes dentro das células, incluindo o controle da atividade genética e o gerenciamento das vias de sinalização celular. Devido a esta complexidade, tem sido difícil conceber tratamentos que abordem muitas mutações ao mesmo tempo.

Cao suspeitava que essas mutações aparentemente não relacionadas poderiam não agir de forma independente. Em vez disso, eles poderiam canalizar-se para programas downstream compartilhados que, em última análise, determinam como as células se comportam. Se isso fosse verdade, os cientistas não precisariam de visar cada mutação separadamente. Eles poderiam se concentrar em nós reguladores comuns que controlam o processo da doença.

“Queríamos desenvolver uma tecnologia para identificar estes nós reguladores partilhados como alvos em si”, diz Cao.

Para conseguir isso, a equipe precisava de um sistema capaz de comparar muitas perturbações genéticas ao mesmo tempo, monitorando detalhadamente como cada uma remodelava uma célula. As tecnologias existentes só conseguiam captar parte da imagem, 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 diferentes perturbações genéticas alteram as células em tempo real, rastreando simultaneamente a acessibilidade do DNA e a produção de RNA. Como essas medições são coletadas dentro da mesma célula, o sistema pode revelar as redes genéticas que controlam o comportamento celular e identificar onde mutações distintas produzem os mesmos efeitos a jusante.

“Esta tecnologia permite-nos perturbar centenas a milhares de genes em paralelo e depois medir as alterações moleculares detalhadas em cada célula individual”, diz Cao. “Isso nos permite vincular muitas perturbações genéticas diferentes aos seus efeitos posteriores 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 produzir 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 monitorou então como cada interrupção mudou o comportamento celular ao longo do tempo. Ao rotular o RNA recém-produzido, os pesquisadores puderam separar a atividade genética recente dos sinais moleculares mais antigos. O perfil de célula única também permitiu rastrear quais genes estavam ativos, quais regiões do DNA se tornaram acessíveis e como essas mudanças evoluíram.

Esta abordagem detalhada deu aos cientistas uma visão célula por célula de como diferentes mutações influenciam a regulação genética e para onde essas vias eventualmente convergem.

“Estamos capturando não apenas a expressão genética, mas também a dinâmica do RNA e o estado da cromatina”, diz Cao. “Isso é fundamental para identificar os reguladores a montante que impulsionam esses estados de doença”.

Xu também criou um pipeline de análise computacional que combinou todas essas camadas de informações em redes reguladoras genéticas detalhadas. O sistema conectou mudanças iniciais na atividade do fator de transcrição com mudanças posteriores na acessibilidade do DNA, produção de RNA e padrões estáveis ​​de expressão gênica.

Depois de examinar mais de 300 mil células, os pesquisadores descobriram que muitas mutações diferentes empurravam consistentemente as células do melanoma para a mesma condição de resistência aos medicamentos. Quando a equipa se concentrou nos pontos de controlo regulamentares partilhados que conduzem a esse estado, a resistência aos medicamentos caiu significativamente, sugerindo uma estratégia promissora para terapias combinadas.

Um sinal de sobrevivência compartilhado

O estudo também revelou um detalhe importante envolvendo o Complexo Mediador, estrutura celular que ajuda a regular a atividade genética. Os investigadores descobriram que a perturbação de diferentes partes deste mesmo complexo poderia desencadear resistência aos medicamentos através de rotas biológicas totalmente diferentes. Apesar dessas diferenças, as vias ainda convergiam para o mesmo sinal de sobrevivência do melanoma conhecido como VEGFC.

Quando os pesquisadores bloquearam o VEGFC, as células resistentes do melanoma não conseguiram mais crescer.

As descobertas sugerem que mesmo doenças genéticas altamente complexas podem depender de vulnerabilidades compartilhadas que podem ser direcionadas terapeuticamente. Em vez de conceber tratamentos separados para cada mutação, os cientistas poderão concentrar-se em vias regulatórias comuns das quais dependem múltiplas mutações.

Expandindo além do câncer

Os pesquisadores disponibilizaram publicamente as ferramentas laboratoriais e computacionais por trás do PerturbFate. Eles agora planejam expandir a 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 importantes áreas de pesquisa em seu laboratório. O seu objetivo é descobrir fraquezas comuns em doenças complexas que possam orientar o desenvolvimento de terapias mais eficazes.

“Este é apenas um ponto de partida”, diz Cao. “Agora que demonstramos a abordagem num modelo simples, estamos trabalhando para estendê-la aos sistemas vivos para estudar doenças ainda mais complexas”.