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A curiosidade de um estudante de pós-graduação descobriu uma ligação anteriormente desconhecida entre duas características importantes do câncer: instabilidade cromossômica e alterações epigenéticas.
O estudo resultante, publicado em 7 de junho naNaturezanão apenas abre uma nova área fértil de pesquisa em biologia científica básica, mas também tem implicações para o atendimento clínico.
A instabilidade cromossômica tem a ver com mudanças no número de cromossomos que cada célula cancerosa carrega. Alterações epigenéticas alteram quais genes são ativados ou desativados em uma célula, mas sem modificar o código de DNA da célula.
Em seu primeiro ano como aluno de doutorado em farmacologia na Weill Cornell Medicine, Albert Agustinus fez um rodízio no laboratório de Samuel Bakhoum, MD, PhD, cujo grupo de pesquisa no Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSK) estuda como as alterações no número e a estrutura dos cromossomos leva ao câncer. Albert também é orientado pelo especialista em epigenética Yael David, PhD, cujo laboratório no MSK’s Sloan Kettering Institute adota uma abordagem de biologia química para estudar a regulação epigenética da transcrição.
“Ele veio até mim e disse: ‘Estou interessado em entender a ligação entre a instabilidade cromossômica e as modificações epigenéticas’”, lembra o Dr. Bakhoum. “E minha resposta a ele foi: ‘Bem, não há um link conhecido, mas você pode encontrá-lo!’”
E encontrou um que ele fez, expandindo essa investigação inicial em uma colaboração multi-institucional de 32 autores publicada em uma das principais revistas científicas. O estudo foi supervisionado conjuntamente por Bakhoum e David.
Recentemente, Agustinus contou seu primeiro grande momento “aha” no projeto, pelo qual também recebeu uma bolsa de pesquisa de drogas da Fundação PhRMA.
Ele estava sentado ao lado de um colega de laboratório e olhando através do microscópio. As células que ele estava olhando tinham pequenos mini-núcleos anormais espalhados por toda a célula – uma consequência comum da instabilidade cromossômica. E eles foram configurados com marcadores fluorescentes que mostrariam a presença de modificações epigenéticas.
“Os micronúcleos brilhavam muito mais do que o núcleo primário”, diz Agustinus. “Meu colega de laboratório me disse: ‘Nunca vi você sorrir tanto antes’.”
Cromossomos enlouquecidos
Os cromossomos são filamentos de DNA compactados que carregam nossa informação genética. Normalmente, cada uma de nossas células tem 46 cromossomos – metade de um dos pais e metade do outro. Quando uma célula se divide para fazer uma nova cópia de si mesma, todos esses cromossomos devem terminar na nova célula, mas no câncer o processo pode dar terrivelmente errado.
“A grande questão que meu laboratório está tentando responder é como a instabilidade cromossômica impulsiona a evolução, progressão, metástase e resistência aos medicamentos do câncer”, diz o Dr. Bakhoum. “É uma característica do câncer, especialmente dos cânceres avançados, onde o processo normal de divisão celular dá errado. Em vez de 46 cromossomos, você pode ter uma célula com 69 cromossomos ao lado de uma célula com 80 cromossomos.”
A sabedoria predominante no campo é que as células cancerígenas aumentam sua chance de sobrevivência ao embaralhar seu material genético quando se dividem. Esse processo aumenta as chances de que algumas das mudanças aleatórias permitam que uma célula-filha cancerosa resista aos ataques do sistema imunológico e às intervenções médicas.
“Esta nova pesquisa, no entanto, sugere que é apenas parte da história”, diz Bakhoum.
Isso porque você pode ter duas células cancerígenas, cada uma com o mesmo número de cópias extras de um determinado cromossomo, mas cada uma com genes diferentes que estão ativados ou desativados. Isso se deve a adicionais epigenético mudanças.
“Nosso trabalho sugere ainda que você realmente não precisa de mutações nos genes que codificam enzimas modificadoras epigenéticas para que ocorram anormalidades epigenéticas. Tudo o que você precisa é ter instabilidade cromossômica contínua”, diz o Dr. Bakhoum. “É uma descoberta inesperada, mas muito importante. E também explica por que frequentemente encontramos instabilidade cromossômica e anormalidades epigenéticas em cânceres avançados e resistentes a medicamentos, mesmo quando não há evidências dos tipos de mutações que esperaríamos criar estragos epigenéticos. .”
Lá e de volta — ou o que os micronúcleos têm a ver com o câncer
Núcleos pequenos e extras nas células – conhecidos como micronúcleos – como os que Agustinus viu ao microscópio são geralmente raros e rapidamente eliminados pelos mecanismos naturais de reparo da célula. Quando você recebe um monte deles, é um sinal de que algo deu muito errado, como acontece no câncer.
Como o núcleo primário de uma célula, esses micronúcleos contêm pacotes de material genético. E quando esses micronúcleos estouram – o que acontece com frequência – isso causa ainda mais problemas, descobriu a equipe de pesquisa.
Dr. Bakhoum usa a metáfora de um viajante que pega um sotaque estrangeiro e o traz de volta para casa. A pesquisa demonstrou que o sequestro de cromossomos em micronúcleos interrompe a organização da cromatina – um complexo de componentes genéticos que são empacotados em cromossomos durante a divisão celular.
Isso leva à desregulação epigenética contínua, que continua muito depois de um micronúcleo ser reintegrado ao núcleo primário de uma célula.
E a formação repetida e a reincorporação de micronúcleos ao longo de muitos ciclos de divisão celular levam ao acúmulo de mudanças epigenéticas. Estes, por sua vez, levam a diferenças cada vez maiores entre as células cancerígenas individuais.
Quanto maior a variação entre as células cancerígenas individuais dentro do mesmo tumor, mais provável é que algumas das células sejam resistentes a qualquer tratamento que esteja sendo lançado contra elas – permitindo que sobrevivam e continuem seu crescimento descontrolado.
Analisando Mudanças Epigenéticas
Para entender e quantificar as mudanças epigenéticas que ocorrem dentro das células, os pesquisadores usam uma série de experimentos sofisticados para isolar os micronúcleos e examinar as mudanças que ocorrem neles em comparação com os núcleos primários das células. Isso permitiu que eles vissem padrões de modificação de histonas – mudanças nos carretéis em torno dos quais o DNA se enrola, que, por sua vez, alteram o acesso aos genes subjacentes.
“Isso nos permitiu fazer algumas perguntas importantes, como realmente conseguimos a transcrição de genes que são importantes em vias específicas?” Dr. David diz. “E a resposta é ‘sim’.”
Eles também compararam micronúcleos intactos versus rompidos – revelando um nível ainda maior de mudanças naqueles que se abriram.
“Também descobrimos que havia regiões promotoras muito mais acessíveis nos micronúcleos do que nos núcleos primários”, acrescenta ela – as regiões promotoras são sequências de DNA próximas ao início de um gene que ajudam a iniciar a transcrição, uma etapa crítica na expressão gênica.
Em um experimento chave, os pesquisadores forçaram um cromossomo a sair para um micronúcleo e então permitiram que ele fosse reintegrado ao núcleo primário. Eles compararam esse cromossomo aventureiro com um que permaneceu parado.
“Nosso cromossomo modelo, que passou a ser o cromossomo Y, mostrou mudanças substanciais em sua paisagem epigenética e acessibilidade de seu DNA”, diz o Dr. David. “Isso tem grandes implicações devido ao impacto significativo que a jornada de um cromossomo em um micronúcleo tem nas mudanças epigenéticas do núcleo primário, que sabemos desempenhar um papel na progressão e evolução do tumor”.
O trabalho, acrescenta ela, abre novos caminhos de estudo.
“Agora que demonstramos que a instabilidade cromossômica e as mudanças epigenéticas estão intimamente ligadas, podemos ir mais fundo e fazer perguntas sobre exatamente como e por quê”, diz o Dr. David.
Descobertas de outra equipe de pesquisa da Universidade de Harvard e do Dana-Farber Cancer Institute, e publicadas em Natureza ao mesmo tempo, encontrou evidências adicionais que apóiam as descobertas da equipe MSK.
Implicações clínicas
Mais do que apenas lançar luz sobre as mudanças que ocorrem dentro das células cancerígenas, a pesquisa também é promissora para o tratamento de pacientes, observam os pesquisadores.
Mudanças epigenéticas são uma forma reversível de regulação genética – e várias classes de drogas já foram desenvolvidas para trabalhar nelas.
Assim, para começar, a instabilidade cromossômica e a presença de micronúcleos podem ser usadas como biomarcadores para ajudar a identificar quais pacientes podem ser mais propensos a serem ajudados por drogas de modificação epigenética, diz o Dr. Bakhoum.
Além disso, as descobertas podem abrir caminho para novas abordagens terapêuticas.
“Há uma questão de saber se deveríamos tratar células cromossomicamente instáveis com essas terapias de modificação epigenética”, diz ele. “Esta pesquisa demonstra que mudanças epigenéticas podem ocorrer sem que essas mutações estejam presentes”.
Além disso, o estudo também sugere que a pesquisa em andamento sobre drogas para atingir diretamente a instabilidade cromossômica pode se beneficiar da combinação com esforços para suprimir as alternâncias epigenéticas, acrescenta o Dr. Bakhoum.
A longo prazo, outro caminho potencial seria explorar maneiras de direcionar os micronúcleos para impedi-los de se romper, o que a pesquisa mostrou ser um grande impulsionador de mudanças epigenéticas, observa o Dr. David.
“Acho que este é um ótimo exemplo de uma descoberta de pesquisa científica fundamental e básica que, nos próximos cinco anos, abrirá vários caminhos interessantes para exploração e possível tradução para o ambiente clínico”, diz ela.
Agustinus, cuja curiosidade deu início a todo o projeto e liderou o esforço de pesquisa, resume assim: “A instabilidade cromossômica e as alterações epigenéticas ajudam o câncer a atingir uma diversidade populacional que lhes dá uma chance melhor de sobreviver e se desenvolver. Mas armado com uma nova compreensão da relação entre esses dois fenômenos, devemos ser mais capazes de direcioná-los terapeuticamente”.
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