O Que os Porcos Revelaram que os Ratos Não Mostraram na Doença de Huntington

A doença de Huntington (DH) começa com uma alteração num único gene, a huntingtina (HTTHTT uma abreviação para o gene que causa a doença de Huntington. O mesmo gene é também chamado DH e IT-15), mas os seus efeitos propagam-se dentro das células e por todo o cérebro e corpo. Um dos mistérios de longa data é o motivo pelo qual a atividade de milhares de outros genes fica perturbada no cérebro afetado pela DH.

Um novo estudo com porcos geneticamente modificados aponta para uma possível explicação. Investigadores da Universidade de Jinan, em Guangzhou, China, encontraram alterações generalizadas nas marcas químicas colocadas no ADN (conhecidas como metilação do ADN) que ajudam a controlar como os genes são ativados e desativados. Os investigadores associaram parte desta perturbação a níveis mais baixos de TET1, uma proteína chave que ajuda a gerir as marcas no ADN.

Uma característica surpreendente, mas importante, deste trabalho é que os investigadores observaram estas alterações no TET1 em porcos com DH, mas não em ratos com DH. Assim, este estudo é também um lembrete de que, por vezes, quando se trata de compreender doenças humanas, modelos animais de maior dimensão podem revelar biologia que um rato poderá não mostrar.

Uma mutação, milhares de consequências

A DH tem um ponto de partida genético invulgarmente claro. Um troço de ADN que contém as letras CAG repete-se demasiadas vezes dentro do gene da huntingtina. O gene expandido produz uma versão extra-longa da proteína huntingtinaproteína huntingtina A proteína produzida pelo gene da DH. Infelizmente, tudo o que acontece depois disso é muito menos simples. A huntingtina expandida interfere com uma longa lista de atividades dentro das células. Afeta a forma como as proteínas são processadas, como as células produzem energia, como os neurónios comunicam e, importante para esta história, que genes são ativados e desativados.

Os cientistas sabem há anos que a atividade genética fica desregulada na DH. Alguns genes tornam-se invulgarmente silenciosos, outros invulgarmente ativos. Mas isto levanta uma questão fundamental: como pode uma mutação num único gene acabar por perturbar milhares de outros?

Um novo estudo de Xie e colegas, publicado na Cell Reports, sugere que a resposta pode envolver outra camada de informação escrita sobre o nosso ADN. Bem-vindo ao maravilhoso mundo da epigenética!

O ADN vem com notas autocolantes

Pensa no ADN como um gigantesco manual de instruções. Praticamente todas as células do teu corpo possuem o mesmo manual. Uma célula cerebral, uma célula hepática e uma célula da pele contêm instruções genéticas quase idênticas. No entanto, funcionam de forma completamente diferente. Isto acontece porque as células não leem todas as páginas da mesma forma. Uma das formas como as células controlam quais os genes ativos é através da fixação de pequenas marcas químicas ao ADN. Uma das mais estudadas é a metilação do ADN, na qual marcas químicas chamadas grupos metilo são adicionadas ao ADN.

Podes pensar nestas marcas como notas autocolantes moleculares. Dependendo do local onde são colocadas, podem ajudar a influenciar se uma determinada instrução genética é fácil ou difícil de usar pela célula.

O novo estudo centrou-se principalmente em duas destas marcas químicas, chamadas 5mC e 5hmC. As células conseguem ajustar o equilíbrio entre ambas, e uma proteína chave que ajuda nesse processo chama-se TET1. O TET1 converte 5mC em 5hmC, ajudando a remodelar o padrão de informação química que se encontra sobre o ADN.

Então, o que acontece a essas notas autocolantes na doença de Huntington? De acordo com este estudo, bastante coisa.

O cérebro do porco com DH tem notas autocolantes desarrumadas

Para melhor compreender a DH num cérebro de maior dimensão, os cientistas estudaram estas marcas químicas em porcos geneticamente alterados. Estes porcos possuem uma sequência expandida de huntingtina humana inserida no gene da huntingtina do porco. Os investigadores encontraram diferenças generalizadas nas marcas do ADN entre porcos com DH e porcos saudáveis. No geral, a 5mC aumentou enquanto a 5hmC diminuiu, particularmente no estriado, a região mais gravemente afetada pela DH.

Quando a equipa analisou o genomagenoma nome dado a todos os genes que contêm as instruções completas para criar uma pessoa ou outro organismo com mais detalhe, encontrou milhares de genes alterados em porcos com DH. Não se tratava de genes aleatórios; muitos estavam envolvidos em atividades importantes para os neurónios, incluindo o uso de energia, a sinalização e a comunicação. Em suma, as notas autocolantes moleculares tinham sido reorganizadas por todo o ADN nos porcos com DH.

A questão seguinte era: quem mexeu nos Post-its?

Conhece o TET1, o editor molecular de notas autocolantes

Várias proteínas controlam as marcas no ADN, por isso os cientistas mediram a abundância de um grupo delas no cérebro dos porcos com DH. Uma destacou-se: o TET1. Os níveis de TET1 estavam drasticamente reduzidos nos cérebros dos porcos com DH. Ainda mais interessante, os níveis de TET1 já eram mais baixos em várias regiões cerebrais em porcos com DH muito jovens, antes mesmo de surgirem sintomas evidentes de DH. A redução era particularmente clara no estriado e tornava-se mais acentuada com a idade.

Esta sincronização observada é fundamental. Se o TET1 só desaparecesse depois de os neurónios estarem gravemente comprometidos, poderia atribuir-se a danos colaterais deixados depois de a DH já ter feito o seu trabalho. Mas o facto de esta alteração surgir já aos dois meses de idade levanta a possibilidade de o TET1 estar envolvido no início do processo da doença.

Curiosamente, quando os cientistas aumentaram artificialmente o TET1 em células cultivadas com huntingtina expandida, algumas alterações anómalas na expressão génica regressaram parcialmente ao normal. Isto não prova que restaurar o TET1 possa tratar diretamente a DH, mas fornece uma pista importante de que o TET1 não está simplesmente de fora.

Esta observação deixou ainda um mistério maior: porque é que o TET1 estava, afinal, a desaparecer? Isto conduziu talvez à parte mais interessante da história.

A huntingtina rouba a chave

Para produzir a proteína TET1, as células dependem de uma proteína chamada TBP para ajudar a ativar o gene do TET1. Pensa no TBP como o funcionário com a chave necessária para abrir o portão principal de uma fábrica. O TBP chega à fábrica do TET1, destranca o portão e dá o sinal para a fábrica começar a produzir TET1.

Os cientistas descobriram que a huntingtina expandida se agarra ao TBP de forma invulgarmente forte, deixando menos TBP disponível para ativar o TET1. Assim, a huntingtina expandida pode estar essencialmente a manter o portador da chave (TBP) ocupado. Isto sugere uma reação em cadeia: a huntingtina expandida retém o TBP, a produção de TET1 diminui, as marcas no ADN alteram-se e a atividade de muitos outros genes fica perturbada. Isto, por si só, já seria uma descoberta interessante, mas depois a equipa analisou os ratos – e as coisas complicaram-se.

O rato na sala

Depois veio a surpresa. Quando os investigadores analisaram os ratos com DH, esperavam ver a mesma diminuição de TET1 observada nos porcos. Não viram. Mesmo os ratos com DH mais velhos não mostraram uma redução comparável de TET1. Isto poderia soar a um desapontamento experimental. Em vez disso, tornou-se numa das observações mais interessantes deste estudo.

Os investigadores colocaram uma questão simples: porque estavam a ver resultados diferentes em porcos e ratos? A resposta parece estar no ADN que controla o gene do TET1. Em porcos e humanos, esta região contém muitos locais onde o TBP se pode ligar; em ratos, contém muito menos.

As fábricas de TET1 humana e de porco parecem depender fortemente de portões abertos pelo TBP. A fábrica do rato está ligada de forma diferente e pode usar outra entrada que não requer TBP. Se a huntingtina mutante rouba o TBP, os sistemas de TET1 humano e de porco podem, por isso, ser particularmente vulneráveis, enquanto a versão do rato pode continuar a funcionar relativamente normalmente.

Isto pode explicar por que motivo esta via molecular foi difícil de observar nos modelos tradicionais de ratos com DH, até agora.

Por vezes, um porco revela mais do que um rato

De forma importante, este trabalho ilustra algo que os cientistas por vezes esquecem quando passam anos a trabalhar com ratos: um cérebro de rato não é simplesmente um cérebro humano em miniatura.

Os ratos têm sido extremamente valiosos para a investigação da DH. São relativamente baratos, reproduzem-se rapidamente e podem ser geneticamente modificados de formas sofisticadas. Mas a evolução passou dezenas de milhões de anos a alterar os pormenores dos seus genomas. Os porcos têm cérebros maiores, dobras mais semelhantes às humanas e períodos de desenvolvimento mais longos. Para esta questão biológica específica, o gene TET1 nos porcos também se parece mais com o nosso.

A mesma alteração genética na huntingtina pode, assim, cair em duas vizinhanças moleculares bastante diferentes. Os investigadores encontraram substancialmente mais alterações na metilação do ADN e na atividade génica nos porcos com DH do que em ratos com DH comparáveis. Isto demonstra como o mesmo gene da doença pode criar efeitos a jusante diferentes consoante a espécie.

Esta pode ser uma das lições mais amplas deste estudo. Os modelos animais podem ser vistos como mapas diferentes do mesmo território. Alguns mapas são excelentes para responder a uma questão e fracos para outra. Neste caso, o porco pode revelar uma estrada que simplesmente não está desenhada no mapa do rato.

Porque é que isto importa para a DH

Este trabalho fornece uma possível ponte entre duas coisas que os investigadores já sabiam há muito tempo sobre a DH: i) a huntingtina expandida altera a atividade de muitos genes, e ii) as “marcas” do ADN estão alteradas na DH. A cadeia que envolve o TBP e o TET1 pode ligar as duas, levantando questões terapêuticas interessantes. Poderão os investigadores impedir que a huntingtina mutante se agarre ao TBP, restaurar a atividade do TET1 ou corrigir as alterações nas marcas do ADN para ajudar os neurónios vulneráveis?

Estas possibilidades ainda são especulativas, pelo que o TET1 deve ser visto como uma nova pista na investigação, e não como um novo tratamento, sendo necessário mais trabalho para testar o seu potencial terapêutico. Muitas das experiências neste estudo compararam apenas três porcos com DH com três controlos, não examinaram diferenças entre machos e fêmeas, e usaram porcos com 150 repetições CAG – muito mais do que as 40-50 que a maioria das pessoas com DH de início adulto possui.

Estudos futuros terão de determinar se esta via funciona em neurónios humanos, se contribui diretamente para que os neurónios adoeçam, e se atuar sobre ela os pode proteger. Mesmo com estas questões por responder, o estudo fornece uma explicação nova e intrigante de como uma única proteína mutante pode criar caos em milhares de genes. E, neste caso, foi preciso um porco para ajudar os cientistas a vê-lo.

Resumo

• A doença de Huntington começa com uma repetição CAGrepetição CAG A porção de ADN no início do gene DH, que contem a sequência CAG repetida muitas vezes, e que é anormalmente longo nas pessoas que vão desenvolver DH. expandida no gene HTTHTT uma abreviação para o gene que causa a doença de Huntington. O mesmo gene é também chamado DH e IT-15, mas a huntingtina mutante provoca alterações generalizadas na atividade de muitos outros genes.
• Os porcos com DH mostraram alterações importantes na metilação do ADN, marcas químicas que ajudam a regular quais os genes que as células utilizam. Estas alterações foram particularmente evidentes no estriado.
• Uma proteína chamada TET1, que ajuda a modificar estas marcas no ADN, estava reduzida em porcos com DH antes de surgirem os sintomas.
• Os investigadores descobriram que a huntingtina mutante se liga de forma invulgarmente forte ao TBP, uma proteína que ajuda a ativar o gene do TET1. Menos TBP disponível significa que é produzido menos TET1.
• Surpreendentemente, o mesmo efeito não foi observado em ratos com DH. Os genes TET1 humano e de porco contêm muitos locais de ligação ao TBP, enquanto a versão do rato tem muito menos.
• O estudo destaca uma lição importante: diferentes modelos animais podem revelar diferentes peças da biologia da doença de Huntington.
• As conclusões ainda não mostram que restaurar o TET1 ou bloquear a ligação entre a huntingtina mutante e o TBP possa tratar a DH. Essas experiências ainda precisam de ser realizadas.