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Embora o Projecto Genoma Humano tenha anunciado a sequenciação completa de 20.000 genes humanos há mais de 20 anos, os cientistas ainda estão a trabalhar para compreender como os seres totalmente formados emergem a partir de instruções genéticas básicas.
Os esforços biomédicos para aprender como as doenças podem ocorrer nos primeiros estágios de desenvolvimento beneficiariam se soubessem especificamente como os organismos complexos surgem a partir de uma única célula fertilizada. Pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego capturaram uma nova compreensão de como o desenvolvimento embrionário se desenvolve através das lentes de um organismo modelo simples.
O relatório abrangente liderado pela cientista da Escola de Ciências Biológicas Rebecca Green e pela professora Karen Oegema fornece uma descrição detalhada de como os genes funcionam durante o desenvolvimento embrionário em Caenorhabditis elegans (C. elegans), uma lombriga de um milímetro de comprimento conhecida pelos biólogos como “o verme”. Apesar de seu tamanho minúsculo, C. elegans tem sido um carro-chefe para os cientistas porque grande parte de sua biologia, incluindo os estágios iniciais de desenvolvimento, se assemelha à de organismos superiores, incluindo os humanos. A pesquisa, que transforma o trabalho de uma década de uma equipe multidisciplinar colaborativa em um “atlas genético”, é publicada na revista Célula.
“Ao caracterizar muitos destes genes pouco compreendidos num organismo modelo simples, podemos aprender sobre o que eles estão a fazer em sistemas mais complexos como os humanos”, disse Green, cientista de bioinformática e primeiro autor do artigo. “Enquanto o trabalho é feito usando C. elegansa maioria dos genes analisados estão presentes em humanos e mutações em muitos deles estão associadas a distúrbios do desenvolvimento humano”.
Os pesquisadores desenvolveram um sistema automatizado para traçar o perfil da função dos genes necessários à embriogênese, processo pelo qual um óvulo fertilizado, que começa como uma única célula, se desenvolve em um organismo com diferentes tecidos, como pele, trato digestivo, neurônios e músculos. Eles usaram imagens 4-D com lapso de tempo para rastrear metodicamente a função de cada gene ao longo de todos os estágios embrionários, inclusive quando a identidade celular é determinada e quando os tecidos do organismo tomam forma. Os pesquisadores monitoraram esse processo usando uma abordagem conhecida como “visão computacional” para rastrear aspectos específicos do desenvolvimento, incluindo o número de células em cada tecido. Eles também rastrearam a massa, posição e formato dos tecidos do organismo em desenvolvimento.
Para compreender completamente a função de quase 500 genes importantes no desenvolvimento embrionário, eles bloquearam a função de cada gene, um de cada vez. Isto permitiu aos investigadores agrupar genes em grupos comuns que revelaram o papel de cada gene através da “culpa por associação”. Green compara o processo ao reconhecimento facial automatizado, no qual imagens com características que parecem semelhantes são agrupadas. Ao utilizar este processo meticuloso para analisar uma coleção de quase 7.000 filmes de embriogénese em 4-D, a equipa conseguiu criar “impressões digitais” para genes individuais, como os necessários para que as células se transformem em músculo ou pele. Isso os ajudou a compreender os papéis fisiológicos que os genes desempenham na embriogênese, como controlar a formação de tecidos como o intestino ou o sistema nervoso.
“Mostramos que nossa abordagem classifica corretamente as funções de genes previamente caracterizados, identifica funções para genes mal caracterizados e descreve novas relações entre genes e vias”, disse Oegema, membro do corpo docente do Departamento de Biologia Celular e do Desenvolvimento e autor sênior do artigo. “Descobrimos que muitos genes que pensávamos servirem a funções mundanas desempenhavam papéis importantes que eram subestimados.”
Em conjunto com o Célula papel, a abundância de dados da pesquisa levou ao lançamento de um novo recurso online que abriga todas as informações. O PhenoBank agora oferece um portal para o atlas genético desenvolvido durante a pesquisa.
“A abordagem rendeu insights surpreendentes sobre como as vias metabólicas são especializadas durante a embriogênese e revelou novas conexões interessantes entre diferentes máquinas moleculares envolvidas na regulação genética”, disse o professor Arshad Desai, co-autor do artigo.
Além dos 500 genes cobertos no Célula estudo, os pesquisadores agora trabalham para finalizar todo o conjunto de 2.000 C. elegans genes que foram implicados na embriogênese.
“O amplo interesse reside na abordagem desenvolvida para enfrentar o problema provavelmente mais desafiador da biologia: como uma única célula com um genoma que contém aproximadamente 20.000 genes (semelhante ao número de genes em humanos) é capaz de construir um organismo inteiro.” ele disse.
Os autores do artigo incluíram: Rebecca Green, Renat Khaliullin, Zhiling Zhao, Stacy Ochoa, Jeffrey Hendel, Tiffany-Lynn Chow, HongKee Moon, Ronald Biggs, Arshad Desai e Karen Oegema. Os pesquisadores também agradecem a Tony Hyman e ao grupo de Computação Científica do Instituto Max Planck de Biologia Celular e Molecular e Genética (MPI-CBG) por facilitar a construção do PhenoBank.
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