Após a divisão, pensava-se que o DNA reconstruiria lentamente sua estrutura dobrada complexa, que é fundamental para regular quais genes estão ativos em uma célula específica.

No entanto, novas pesquisas do MIT revelaram que esse modelo amplamente aceito não está completamente correto. Utilizando um método poderoso e de alta resolução para mapeamento genômico, a equipe descobriu que pequenos laços 3D — conexões entre elementos reguladores do DNA e genes — permanecem intactos mesmo durante a divisão celular, um estágio conhecido como mitose.

“Este estudo realmente ajuda a esclarecer como devemos interpretar a mitose. No passado, a mitose era considerada como uma lousa em branco, sem transcrição e sem estrutura relacionada à atividade gênica. E agora sabemos que isso não é bem assim,” afirma Anders Sejr Hansen, professor associado de engenharia biológica no MIT. “O que observamos é que há sempre estrutura. Ela nunca desaparece.”

Laços de DNA que Ajudam Células a “Lembrar”

Os pesquisadores também descobriram que esses laços de DNA na verdade se fortalecem à medida que os cromossomos se condensam em preparação para a divisão. Esse aperto aproxima elementos reguladores distantes, facilitando sua adesão. Segundo a equipe, isso pode permitir que as células “lembrem” quais interações genéticas existiam antes da divisão e as restabeleçam posteriormente.

“As descobertas ajudam a conectar a estrutura do genoma à sua função na gestão da ativação e desativação de genes, um desafio importante na área há décadas,” afirma Viraat Goel, doutorando do MIT e autor principal do estudo.

Hansen e Edward Banigan, um cientista pesquisador no Instituto de Engenharia Médica e Ciência do MIT, são autores sêniores da pesquisa, publicada na Nature Structural and Molecular Biology. Os co-autores incluem professores do MIT Leonid Mirny e Gerd Blobel da Perelman School of Medicine da Universidade da Pensilvânia.

Desvendando a Arquitetura Oculta do DNA

Nas últimas duas décadas, cientistas descobriram que o DNA no núcleo celular se organiza em laços 3D. Muitos desses laços permitem que genes interajam com regiões reguladoras distantes — às vezes milhões de pares de base de distância — enquanto outros se formam durante a mitose para compactar os cromossomos de forma eficaz.

A maior parte desse mapeamento depende de uma ferramenta chamada Hi-C, uma técnica co-desenvolvida por pesquisadores do MIT e Job Dekker, da Universidade de Massachusetts Chan Medical School. O Hi-C funciona cortando o DNA em pequenos fragmentos e conectando aqueles que estão próximos uns dos outros no núcleo celular antes de sequenciá-los para identificar quais regiões interagem.

Embora eficaz, o Hi-C carece da resolução necessária para detectar interações em escala mais fina entre genes e sequências regulatórias conhecidas como elementos de realce. Os elementos de realce são segmentos curtos de DNA que ativam genes ao se ligarem a promotores, que são as regiões onde a transcrição se inicia.

Uma Ferramenta Revolucionária: Region-Capture Micro-C

Em 2023, Hansen e seus colegas desenvolveram uma técnica de próxima geração que pode mapear estruturas genômicas com precisão até 1.000 vezes maior. O método, chamado Region-Capture Micro-C (RC-MC), utiliza uma enzima diferente para cortar o DNA em fragmentos de tamanho uniforme e se concentra em uma porção menor do genoma. Isso permite que os pesquisadores criem mapas 3D altamente detalhados de regiões-alvo do DNA.

Usando o RC-MC, a equipe identificou uma nova característica estrutural que nomearam “microcompartimentos”. Estas são laçadas pequenas e densamente conectadas que se formam quando elementos reguladores e promotores próximos se assentam juntos.

Trabalhos anteriores mostraram que os microcompartimentos se formam por um mecanismo diferente do das grandes estruturas genômicas 3D, mas a equipe ainda não compreendia como. Para explorar isso, decidiram examinar o que acontece com essas estruturas à medida que as células passam pela mitose. Nesse fase, os cromossomos se compactam drasticamente para garantir que possam ser duplicados e distribuídos equitativamente entre as células filhas. Nesta fase, grandes domínios genômicos conhecidos como compartimentos A/B e domínios topologicamente associando (TADs) normalmente desaparecem.

Estabilidade Inesperada Durante a Divisão Celular

Os pesquisadores esperavam que os microcompartimentos também desaparecessem. Para testar isso, monitoraram células ao longo de todo o ciclo de divisão para observar como esses laços se comportavam antes e depois da mitose.

“Durante a mitose, acreditava-se que praticamente toda a transcrição gênica fosse interrompida. E antes do nosso artigo, acreditava-se também que toda a estrutura 3D relacionada à regulação gênica fosse perdida e substituída por compactação. É um reinício completo a cada ciclo celular,” diz Hansen.

Para sua surpresa, os laços não desapareceram. De fato, tornaram-se ainda mais pronunciados à medida que as células se dividiram.

“Entramos neste estudo pensando que, bem, a única certeza é que não há estrutura regulatória na mitose, e então descobrimos acidentalmente estrutura na mitose,” diz Hansen.

Usando sua técnica, os pesquisadores também confirmaram que estruturas maiores, como compartimentos A/B e TADs, desaparecem durante a mitose, conforme já havia sido observado anteriormente.

“Este estudo aproveita a resolução genômica sem precedentes do ensaio RC-MC para revelar novos e surpreendentes aspectos da organização da cromatina mitótica, que não notamos anteriormente usando ensaios baseados em 3C tradicionais. Os autores revelam que, em contraste com a bem descrita perda dramática de TADs e compartimentalização durante a mitose, microcompartimentos em escala fina — interações aninhadas entre elementos reguladores ativos — são mantidas ou até temporariamente fortalecidas,” diz Effie Apostolou, professora associada de biologia molecular na medicina da Weill Cornell Medicine, que não participou do estudo.

Explicando um Surto Misterioso de Atividade Gênica

A descoberta pode também esclarecer um surto há muito observado na transcrição gênica que ocorre próximo ao final da mitose. Desde a década de 1960, os cientistas acreditavam que a transcrição parava completamente durante a divisão celular. No entanto, estudos realizados em 2016 e 2017 revelaram um breve pico de atividade gênica antes que ela parasse novamente.

No novo estudo, a equipe do MIT descobriu que durante a mitose, os microcompartimentos são mais propensos a serem encontrados perto dos genes que têm um pico de atividade durante a divisão celular. Eles também descobriram que esses laços parecem se formar como resultado da compactação do genoma que ocorre durante a mitose. Essa compactação aproxima elementos de realce e promotores, permitindo que eles se liguem para formar microcompartimentos.

Uma vez formados, os laços que constituem microcompartimentos podem ativar a transcrição gênica quase por acidente, que é então interrompida pela célula. Quando a célula termina a divisão, entrando em um estado conhecido como G1, muitos desses pequenos laços tornam-se mais fracos ou desaparecem.

“Parece que esse pico transcricional na mitose é um acidente indesejado que surge de um ambiente extraordinariamente favorável à formação de microcompartimentos durante a mitose,” diz Hansen. “Então, a célula rapidamente poda e filtra muitos desses laços quando entra em G1.”

Como a compactação dos cromossomos pode também ser influenciada pelo tamanho e forma de uma célula, os pesquisadores estão agora investigando como variações nessas características afetam a estrutura do genoma e, por sua vez, a regulação gênica.

“Estamos considerando alguns contextos biológicos naturais onde as células mudam de forma e de tamanho, e se podemos talvez explicar algumas mudanças no genoma 3D que anteriormente careciam de explicação,” diz Hansen. “Outra questão chave é como a célula decide quais microcompartimentos manter e quais remover ao entrar em G1, para garantir a fidelidade da expressão gênica.”

A pesquisa foi parcialmente financiada pelos Institutos Nacionais de Saúde, por um Prêmio CAREER da Fundação Nacional de Ciências, pelo Gene Regulation Observatory do Broad Institute, por um Prêmio Pew-Steward Scholar para Pesquisa em Câncer, pela Mathers Foundation, pelo MIT Westaway Fund, pelo Bridge Project do Koch Institute e do Dana-Farber/Harvard Cancer Center, e pelo Koch Institute Support (core) Grant do National Cancer Institute.