Uma equipe de pesquisadores do EMBL e colaboradores desenvolveu uma ferramenta que leva a análise de células individuais a um novo patamar. Esta tecnologia é capaz de capturar tanto variações genômicas quanto RNA na mesma célula, oferecendo maior precisão e escalabilidade do que as tecnologias anteriores. Essa abordagem permite que os cientistas identifiquem variações em regiões não codificantes do DNA, as áreas mais frequentemente associadas a doenças, oferecendo uma nova forma de investigar como as diferenças genéticas impactam a saúde humana. Com sua precisão e capacidade de processar um grande número de células, a ferramenta representa um importante avanço na ligação de variantes genéticas específicas aos desfechos de doenças.

“Isso tem sido um problema antigo, já que os métodos atuais de célula única para estudar DNA e RNA na mesma célula têm baixa capacidade, sensibilidade limitada e são complexos,” afirmou Dominik Lindenhofer, autor principal de um novo artigo sobre SDR-Seq publicado na Nature Methods e pós-doutorando no Grupo Steinmetz do EMBL. “Em nível de célula única, você poderia identificar variantes em milhares de células, mas apenas se elas tivessem sido expressas — ou seja, apenas a partir de regiões codificadas. Nossa ferramenta funciona independentemente da localização das variantes, fornecendo números de célula única que permitem a análise de amostras complexas.”

A diferença importante entre regiões codificantes e não codificantes

O DNA contém partes codificantes e não codificantes. As partes codificantes funcionam como manuais de instrução, uma vez que seus genes são expressos em RNA, o qual orienta as células na construção de proteínas essenciais para a vida.

Por outro lado, as regiões não codificantes contêm elementos regulatórios que direcionam o crescimento e a função celular. Mais de 95% das variantes de DNA associadas a doenças ocorrem nessas regiões não codificantes, no entanto, os métodos atuais de célula única não tiveram a sensibilidade ou a escala para estudá-las efetivamente. Até agora, os pesquisadores eram incapazes de observar DNA e RNA na mesma célula em grande escala, limitando a compreensão de como as variantes do DNA afetam a atividade gênica e contribuem para doenças.

“Neste espaço não codificante, sabemos que existem variantes relacionadas a condições como doenças cardíacas congênitas, autismo e esquizofrenia que foram amplamente inexploradas, mas essas certamente não são as únicas doenças desse tipo,” disse Lindenhofer. “Precisávamos de uma ferramenta para realizar essa exploração e entender quais variantes são funcionais em seu contexto genômico endógeno e como contribuem para a progressão das doenças.”

Decifrando códigos que rastreiam células únicas

Para realizar o sequenciamento de DNA-RNA de células individuais (SDR-seq), os pesquisadores utilizaram pequenas gotas de óleo e água, cada uma contendo uma célula única, permitindo a análise simultânea de DNA e RNA. Esse método possibilitou examinar milhares de células em um único experimento e associar mudanças genéticas a padrões de atividade gênica. O desenvolvimento dessa tecnologia exigiu superar grandes desafios e uniu equipes das unidades de Biologia Genômica e Biologia Estrutural e Computacional do EMBL, da Escola de Medicina da Universidade de Stanford e do Hospital Universitário de Heidelberg.

Colaboradores dos grupos de Judith Zaugg e Kyung-Min Noh do EMBL desenvolveram uma técnica para preservar o delicado RNA “fixando” as células, enquanto os biólogos computacionais do grupo de Oliver Stegle projetaram um programa especializado para decodificar o complexo sistema de codificação de DNA necessário para a análise de dados. Embora este software de decodificação tenha sido criado para este projeto específico, a equipe acredita que pode ser valioso para muitos outros estudos.

Pesquisadores dos grupos de Wolfgang Huber e Sasha Dietrich do EMBL e do Universitätsklinikum Heidelberg já estavam examinando amostras de linfoma de células B para outros estudos. Estas amostras de pacientes, ricas em variação genética, forneceram um caso de teste ideal para a nova tecnologia. Usando essas amostras, Lindenhofer observou como as variações no DNA estavam ligadas a processos de doenças e descobriu que células cancerígenas com mais variantes apresentavam sinais de ativação mais fortes que apoiavam o crescimento tumoral.

“Estamos utilizando essas pequenas câmaras de reação para fazer a leitura de DNA e RNA na mesma célula única,” disse Lindenhofer. “Isso nos permite determinar com precisão se uma variante está presente em uma ou ambas as cópias de um gene e medir seus efeitos na expressão gênica nas mesmas células. Com as células de linfoma de células B, conseguimos mostrar que, dependendo da composição de variantes nas células, elas tinham diferentes propensões a pertencer a estados celulares distintos. Também pudemos observar que um aumento de variantes em uma célula estava relacionado a um estado de linfoma de células B mais maligno.”

As diversas oportunidades de uma ferramenta de sequenciamento de células únicas

A ferramenta SDR-seq agora oferece aos biólogos genômicos escala, precisão e velocidade para melhor compreender as variantes genéticas. Embora possa eventualmente ter um papel no tratamento de uma ampla gama de doenças complexas, pode primeiro ajudar no desenvolvimento de melhores ferramentas de triagem para diagnóstico.

“Temos uma ferramenta que pode relacionar variantes a doenças,” disse Lars Steinmetz, coautor sênior do artigo, líder de grupo no EMBL e professor de genética na Escola de Medicina da Universidade de Stanford. “Essa capacidade abre uma vasta gama de biologia que agora podemos descobrir. Se conseguirmos discernir como as variantes realmente regulam as doenças e entender melhor esse processo, teremos uma oportunidade melhor de intervir e tratá-las.”