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Se os humanos forem capazes de regenerar tecidos danificados da maneira que lagartos e peixes fazem rotineiramente, isso exigirá o controle preciso da expressão gênica no tempo e no local – caso contrário, você pode acabar com células aleatórias crescendo em todos os lugares ou uma nova parte do corpo. que nunca para de crescer. Ou seja, parar o processo é tão importante quanto iniciá-lo.
Uma equipe de cientistas da Duke que estuda como outros animais regeneram tecidos danificados deu um passo importante para controlar pelo menos uma parte da maquinaria regenerativa com esse tipo de precisão. Eles usaram os mecanismos nos quais o peixe-zebra confia para reparar danos em seus corações combinados com vetores virais usados para terapia genética em humanos.
Em um novo artigo publicado on-line em 13 de dezembro em Célula Célula Troncoos pesquisadores demonstram a capacidade de controlar a atividade do gene em resposta à lesão, limitando-a a uma região específica do tecido e durante uma janela de tempo definida, em vez de estar continuamente ativa em todo o órgão.
Eles pegaram emprestado um segmento de DNA de peixe que eles chamam de TREE, elemento intensificador de regeneração de tecidos. TREEs são uma família de potenciadores de genes incluídos no genoma que são responsáveis por detectar uma lesão e orquestrar a atividade de genes relacionados ao reparo para reconstrução em um local específico. Esses intensificadores também podem desligar a atividade do gene à medida que a cura é concluída. Esses elementos reguladores foram encontrados em moscas-das-frutas, vermes e camundongos, bem como no peixe-zebra.
“Provavelmente também os temos”, disse Ken Poss, Ph.D, o James B. Duke Distinguished Professor de Biologia Regenerativa na Duke School of Medicine, que descobriu a regeneração do coração no peixe-zebra há duas décadas e o estuda desde então. “Mas é mais fácil para nós encontrá-los no peixe-zebra e perguntar se eles funcionam em mamíferos”.
Com cerca de 1.000 nucleotídeos de comprimento, essas sequências intensificadoras estão repletas de locais de reconhecimento para diferentes fatores e estímulos para anexar e alterar a atividade do gene. “Não entendemos completamente como eles fazem isso e ao que estão realmente respondendo”, disse Poss.
Diferentes tipos de células dentro de um animal também têm diferentes tipos desses intensificadores, disse Poss. “Alguns deles são responsivos em vários tecidos – esses são os que usamos aqui. Mas quando analisamos a regeneração da medula espinhal ou das nadadeiras em peixes, obtemos sequências diferentes.” Pode haver dezenas de milhares desses tipos de intensificadores no genoma humano, acrescentou.
Como primeiro passo neste projeto de pesquisa de 6 anos, os pesquisadores incorporaram vários tipos diferentes de árvores de peixe-zebra nos genomas de camundongos embrionários. Usando um marcador visível para indicar a atividade do gene, eles descobriram que cerca de metade dos intensificadores funcionavam como pretendido e tornavam o tecido azul quando e onde detectavam lesões nos tecidos dos mamíferos transgênicos.
Em seguida, eles queriam saber se poderiam incorporar seletivamente os elementos intensificadores em um camundongo adulto usando o vírus adeno-associado, uma ferramenta familiar de terapia genética para introduzir sequências de genes nas células. O vírus introduziu DNA contendo um intensificador em todos os tecidos, mas a esperança era que as TREEs só se tornassem ativas em resposta a uma lesão.
Uma série de experimentos em modelos de ataque cardíaco em camundongos mostrou que os vírus contendo um TREE podem ser infundidos uma semana antes da lesão e, em seguida, o intensificador entraria em ação quando detectasse a lesão. Mas eles descobriram que também funcionava quando introduzidos no animal um ou dois dias após o ataque cardíaco. “Todos os três TREEs que testamos podem ser eficazes se aplicados um dia ou às vezes mais após a lesão – eles ainda podem direcionar a expressão para a lesão”, disse Poss.
“Este método de entregar uma árvore e um gene vai nos permitir entregar uma carga molecular no lugar certo na hora certa? Descobrimos que sim em camundongos”, disse Poss.
Eles também entregaram viralmente um TREE e um gene marcador fluorescente em porcos, que têm um coração muito maior com uma frequência cardíaca mais semelhante à humana. Eles infundiram vírus nos corações dos porcos através das artérias coronárias antes ou depois de um ataque cardíaco e, novamente, o marcador apenas brilhou no local da lesão.
Então, para ver se esse sistema poderia realmente reparar o dano, em vez de apenas detectar o dano e ativar um gene que ilumina o tecido, eles entregaram uma forma hiperativada de YAP, um poderoso gene de crescimento de tecido que está implicado no câncer. A questão-chave era se esse “martelo realmente potente” que pode fazer com que a divisão celular corra descontroladamente poderia ser laçado para funcionar apenas na hora e no lugar certos.
Eles usaram um YAP mutante controlado por um TREE para ver se eles poderiam ter crescimento muscular seguro após um ataque cardíaco em camundongos. “O TREE ativou um YAP mutante por algumas semanas, apenas no local da lesão, e depois desligou naturalmente a expressão”, disse Poss. O tratamento fez com que as células musculares começassem a se dividir e o coração do camundongo voltou à função quase normal após várias semanas, embora não sem algumas cicatrizes.
“Você realmente não gostaria de expressar o YAP a todo vapor, o que pode causar problemas como crescimento excessivo, mas o que descobrimos é que podemos direcioná-lo”, disse Poss. “Todo o animal recebe a terapia genética, mas a carga YAP só se expressa em níveis mensuráveis quando e onde você fere o coração”, disse Poss. “Achamos que podemos usar esses métodos para controlar os genes em um determinado tempo e espaço, e isso inclui desligá-los”.
A próxima tarefa dos pesquisadores será entender melhor quais moléculas se ligam aos intensificadores, o que controla suas funções e onde estão localizadas no genoma humano, além de melhorar suas habilidades de direcionamento.
“Esses elementos de controle são o que importa”, disse Poss. “Os peixes-zebra têm basicamente os mesmos genes que nós, mas sua capacidade de regenerar o coração é uma função de como eles controlam esses genes após uma lesão maciça”.
“E quanto a outros modelos de lesão?” Possivelmente maravilhas. “Isso pode funcionar para lesões cerebrais traumáticas ou lesões na medula espinhal?”
Ruorong Yan e Valentina Cigliola foram os principais autores desta pesquisa, que foi apoiada pela Translating Duke Health; os Institutos Nacionais de Saúde (F31-HL162460, R01-HL151522, P30-AG028716, R21-AG067245, R01-HL157277, U01-AI146356, UM1-HG013053, RM1-HG011123, R33-DA041878, U01-AI146356, UM1-HG013053, RM1-HG011123, R33-DA041878, U01-AI146356, 2612-HL R13477 R01-HL146366, R01-DK119621, R35-HL150713, R01-HL136182); Fundação Nacional de Ciência (EFMA-1830957); American Heart Association (AHA) (17POST33660087, 903369, AHA16SDG30020001, AHA117SDG33660922); Swiss National Science Foundation (P2GEP3_175016, P400PM_186709); e Fundação Leducq.
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