Studiul relevă cum plierea defectuoasă a ADN-ului duce la afecțiuni congenitale ale inimii
Boli congenitale ale inimii reprezintă cel mai frecvent defect de naștere, afectând aproximativ 1 din 100 de nou-născuți anual. Una dintre cauzele acestor afecțiuni este moștenirea unei singure copii funcționale a genei TBX5, în loc de două copii sănătoase, provenite de la părinți.
Cu toate acestea, oamenii de știință s-au confruntat cu dificultăți în a înțelege de ce o copie defectuoasă a acestei gene, chiar și în prezența unei copii sănătoase, poate afecta atât de drastic dezvoltarea inimii.
Cercetătorii de la Gladstone Institutes au demonstrat că TBX5 joacă un rol esențial în plierea fizică a ADN-ului, ceea ce este necesar pentru funcționarea celulelor cardiace. Un nou studiu publicat în revista Science arată că pierderea unei copii de TBX5 dezorganizează această structură a ADN-ului, având efecte de amploare asupra modului în care numeroase alte gene sunt utilizate de celule.
Studiul reconfigurează modul în care cercetătorii privesc o problemă de lungă durată în genetică: de ce pierderea unei copii a unei gene, o condiție numită haploinsuficiență, poate cauza defecte de dezvoltare grave.
„TBX5 este doar un exemplu al unei clase mai largi de gene care provoacă defecte de naștere atunci când o copie este pierdută. Ceea ce este interesant în descoperirile noastre este că sugerează că multe defecte de naștere ar putea apărea din același motiv: manualul de instrucțiuni 3D al celulei pur și simplu se pliază incorect”, spune Benoit Bruneau.
„Am dezvoltat și utilizat diferite modele computaționale pentru a analiza rezultatele din mii de celule individuale”, afirmă Katie Pollard. „Acest lucru ne-a permis să vedem pentru prima dată cum pierderea acestei proteine cauzează deteriorarea structurii ADN-ului inimii la toate nivelurile.”
Plasarea ADN-ului într-o celulă este comparabilă cu împachetarea unui manual de instrucțiuni lung de mile într-un vârf de ac. Deoarece fiecare tip de celulă își pliază manualul într-o formă tridimensională unică, o celulă cardiacă primește instrucțiuni diferite față de o celulă cerebrală și, prin urmare, funcționează diferit.
Structura 3D a ADN-ului este organizată în mai multe straturi, inclusiv compartimente mari, domenii și bucle de cromatină. În celule, aceste bucle aduc comutatoare genetice îndepărtate, cunoscute sub numele de amplificatoare, în contact fizic cu genele, permițând celulei să activeze instrucțiunile specifice de care are nevoie.
Cercetătorii știau deja că TBX5 este un regulator principal al dezvoltării inimii, o proteină care activează multe gene necesare funcționării corecte a celulelor cardiace. Laboratorul lui Bruneau a demonstrat anterior că pierderea unei copii de TBX5 afectează nivelurile a sute de alte gene specifice inimii. Totuși, nu știau exact cum.
În noul studiu, echipa a investigat dacă modul în care ADN-ul este pliat determină funcționarea unei celule cardiace și ce rol joacă TBX5 în acest proces.
Pentru a testa acest lucru, oamenii de știință au combinat tehnici avansate pentru a observa cum reacționează diferit celulele individuale la pierderea TBX5. Au determinat celule stem umane, fie sănătoase, fie lipsă de o copie de TBX5, fie lipsă de ambele copii, să se maturizeze în celule musculare cardiace și au utilizat cartografierea 3D de înaltă rezoluție pentru a analiza buclele de ADN în detalii fără precedent.
Deoarece studiul a implicat milioane de puncte de date din mii de celule individuale, au apelat la modele computaționale pentru a înțelege seturile de date rezultate.
„Folosind abordările computaționale personalizate pe care le-am dezvoltat, am reușit să vedem pentru prima dată cum pierderea TBX5 declanșează colapsul total al organizației 3D a ADN-ului inimii”, afirmă Shuzhen Kuang. „Surprinzător, am descoperit că acest colaps se întâmplă la toate nivelurile de organizare a genomului: compartimente, domenii și bucle de cromatină.”
Analiza datelor a relevat că, pe măsură ce celulele stem sănătoase s-au maturizat în celule musculare cardiace, genomul a suferit o reorganizare semnificativă, cu mari segmente de ADN trecând de la inactiv la activ sau invers. Echipa a descoperit că TBX5 este arhitectul principal din spatele acestor schimbări structurale.
Cercetătorii au descoperit că TBX5 acționează ca un GPS, indicând unui motor molecular, cunoscut sub numele de cohesin, exact unde să se așeze pe ADN pentru a construi buclele de cromatină care conectează genele cu amplificatoarele lor. Atunci când nu există suficient TBX5, ADN-ul se pliază greșit și nu reușește să formeze buclele necesare, împiedicând activarea genelor vitale pentru inimă.
„Ceea ce a fost remarcabil a fost cât de mult contează cantitatea de TBX5”, afirmă Zoe Grant. „Cu cât mai mult TBX5 era eliminat, cu atât mai grav era disrupția la fiecare nivel de organizare a genomului pe care l-am analizat.”
De fapt, studiul demonstrează că a avea doar jumătate din cantitatea normală de TBX5 este suficient pentru a provoca o pliere greșită a structurii ADN-ului, ceea ce duce direct la defecte cardiace.
În plus, când cercetătorii au analizat mai atent celulele individuale, au descoperit că nu toate celulele cardiace au răspuns identic la pierderea TBX5. Diferențe specifice au fost observate între două tipuri distincte de celule cardiace – atriale și ventriculare – și chiar între celule individuale din același tip.
„Aceasta ar putea explica de ce persoanele cu aceeași mutație pot avea defecte cardiace diferite”, spune Grant.
Deși studiul oferă o nouă perspectivă asupra motivelor pentru care apare boala congenitală a inimii la nivel molecular, descoperirile ar putea avea aplicații în cazul multor altor tulburări de dezvoltare.
„Credem că am descoperit un nou mecanism al bolii”, afirmă Bruneau. „Am demonstrat că chiar și o mică scădere a unei singure proteine poate determina plierea greșită a modelului ADN și poate conduce la boală. Astfel, multe defecte de naștere atribuite în prezent mutațiilor genetice ar putea fi cauzate de plierea 3D greșită a ADN-ului.”
Echipa intenționează să investigheze când în timpul dezvoltării cardiace timpurii TBX5 începe să formeze arhitectura genomului și dacă aceleași principii se aplică și altor proteine cauzatoare de defecte de naștere.
