Fragmentos de ADN viral antigo ligados ao aparecimento das primeiras células embrionárias

Scientists have agora mostrado que algumas destas sequências são, na verdade, vestígios fósseis de vírus antigos enterrados no nosso ADN - e que ajudam um embrião a ativar o seu próprio genoma. A descoberta muda a forma como os investigadores encaram o ADN “lixo” e aponta para novas estratégias em medicina regenerativa e em doenças musculares raras.

Vírus antigos escondidos no nosso genoma

O ADN dos mamíferos está repleto de restos de infeções virais do passado. Cerca de um décimo do genoma humano provém de retrovírus que infetaram os nossos antepassados há milhões de anos e inseriram o seu material genético em óvulos ou espermatozoides.

Durante muito tempo, estes fragmentos virais foram tratados como entulho genómico. Pareciam inativos ou parasitas, sem função óbvia. Essa perspetiva está a mudar rapidamente.

ADN viral antigo, antes descartado como inútil, revela-se capaz de controlar alguns dos primeiros passos da vida dos mamíferos.

Um novo estudo liderado pelo Medical Research Council Laboratory of Medical Sciences, em Londres, com equipas no Helmholtz Munich e na Universidade Ludwig Maximilian de Munique, mostra que sequências virais específicas atuam como potentes interruptores genéticos nas fases mais precoces do desenvolvimento embrionário.

Como uma relíquia viral ajuda a construir um organismo inteiro

A breve e crítica janela das “duas células”

Nos ratos, destaca-se um vestígio viral: uma sequência chamada MERVL. Ela torna-se altamente ativa na fase das “duas células”, quando o embrião tem apenas duas células. Esta curta janela é quando o genoma embrionário assume, pela primeira vez, o controlo do seu próprio desenvolvimento.

Antes desta fase, o embrião funciona sobretudo com instruções e moléculas acumuladas no óvulo pela mãe. Quando a ativação do genoma começa, o ADN do próprio embrião passa a conduzir o programa que acabará por formar todos os tecidos.

Os investigadores usaram uma ferramenta baseada em CRISPR conhecida como CRISPRa, que consegue ligar genes sem cortar nem alterar a sequência de ADN. Ao ativarem artificialmente a MERVL em células estaminais embrionárias de rato, puderam testar se esta relíquia viral faz mais do que apenas “acender” durante o desenvolvimento.

MERVL como interruptor genético, não como fabricante de proteínas

A MERVL não codifica uma proteína útil. Em vez disso, funciona como um painel de controlo. Quando é ligada, ativa uma rede de genes que normalmente só operam na fase das duas células.

Muitos destes genes estão ligados à totipotência - a notável capacidade de uma única célula gerar todos os tipos celulares no embrião, bem como tecidos de suporte como a placenta.

As células totipotentes estão no início da vida: em teoria, cada uma pode reconstruir um organismo inteiro.

Quando a equipa ligou apenas a MERVL em células estaminais, as células começaram a expressar alguns genes embrionários precoces e mostraram várias características associadas à totipotência. Contudo, não reorganizaram por completo a sua cromatina - a “embalagem” que determina como o ADN é dobrado e acedido. Essa reprogramação estrutural é uma característica-chave de células verdadeiramente totipotentes.

Esta mudança parcial mostrou que a MERVL é necessária para o programa das duas células, mas não é suficiente, por si só, para o recriar completamente.

Dux: o interruptor mestre a montante

Os investigadores analisaram então Dux, um fator de transcrição que normalmente desencadeia a MERVL. Quando ativaram Dux, o cenário mudou de forma dramática.

Dux ligou a MERVL e mais centenas de genes adicionais. O padrão de atividade génica resultante ficou muito mais próximo do de um embrião genuíno de rato na fase das duas células. Dux parece orquestrar um estado totipotente mais amplo, com a MERVL como um componente-chave de uma rede maior.

O estudo mostra que a evolução reaproveitou elementos virais antigos como a MERVL como parte de um sistema de controlo preciso do desenvolvimento inicial. O que antes invadiu o genoma está agora integrado no plano de construção da vida.

Uma estratégia partilhada entre mamíferos, com diferentes protagonistas virais

Um princípio conservado, sequências diferentes

O grupo de Munique examinou embriões iniciais de cinco mamíferos: rato, vaca, coelho, porco e macaco-rhesus. Usando uma técnica de alta resolução em embriões individuais, construíram um atlas transcricional que mostra quais fragmentos virais se ligam quando o genoma embrionário desperta.

Em todas as espécies estudadas, certos elementos virais antigos, considerados “extintos”, reativaram-se durante esta janela crítica. No entanto, cada espécie recorreu ao seu próprio conjunto de sequências:

• os ratos usaram de forma proeminente a MERVL
• os humanos mostraram atividade em elementos como HERVL, MLT2A1 e MLT2A2
• outros mamíferos apresentaram famílias distintas de remanescentes retrovirais

A estratégia comum é clara: ativar elementos transponíveis no início para coordenar rapidamente vastas redes genéticas.

Embora as sequências específicas difiram, a lógica subjacente parece conservada. Reativar fragmentos virais oferece uma forma rápida de ligar e sincronizar centenas de genes em embriões que se dividem rapidamente e não têm tempo para ajustes graduais.

Quando a reprogramação se torna perigosa

Dux como ferramenta de dois gumes

Dux é crucial para despertar o programa embrionário. No entanto, forçá-lo em excesso pode prejudicar as células. A sobre-expressão artificial de Dux reduziu a proliferação celular e desencadeou vias de morte celular.

A equipa testou se esta toxicidade vinha da MERVL. Não vinha. A MERVL, por si só, quando ativada separadamente, não danificou o ADN nem matou células.

Em vez disso, verificou-se que Dux liga um gene chamado NOXA, um interveniente-chave na apoptose, a via de morte celular programada. NOXA codifica uma proteína que inclina o equilíbrio para longe dos sinais de sobrevivência e em direção à morte celular.

Ao eliminar NOXA, os investigadores recuperaram uma grande fração da perda celular causada pela ativação de Dux.

Isto separa claramente dois papéis de Dux:

• benéfico: desencadear programas de totipotência, em parte via MERVL
• nocivo: promover morte celular através de NOXA

Para a medicina regenerativa, esta distinção é importante. Os cientistas querem aceder a estados semelhantes à totipotência para reparação de tecidos ou geração de órgãos, sem libertar o lado “assassino” de células associado a Dux.

Ligações a uma doença muscular rara em humanos

DUX4 e distrofia muscular facioescápulo-umeral

O equivalente humano, DUX4, permanece largamente silencioso após o nascimento. Em pessoas com distrofia muscular facioescápulo-umeral (FSHD), uma doença hereditária rara, DUX4 torna-se indevidamente ativo em células musculares adultas.

Essas células começam a executar um programa genético embrionário no momento errado da vida. Com o tempo, isto contribui para fraqueza muscular progressiva na face, ombro e região do braço superior, e mais tarde noutros grupos musculares.

O novo estudo mostra que DUX4, tal como Dux em ratos, ativa NOXA em células humanas. Doentes com FSHD mais grave tendiam a ter níveis mais elevados de NOXA nos músculos.

Quando os investigadores forçaram a atividade de DUX4 em células estaminais humanas, os níveis de NOXA aumentaram acentuadamente ao fim de cerca de 12 horas, precedendo claramente sinais de apoptose. Dois modelos celulares independentes de FSHD mostraram o mesmo padrão: assim que DUX4 se acendeu, NOXA seguiu-se e a morte celular aumentou.

Visar NOXA poderá proteger as células musculares de danos conduzidos por DUX4, sem desligar todos os outros papéis de DUX4.

Isto cria uma estratégia terapêutica potencial: fármacos ou terapias génicas que atenuem NOXA poderiam abrandar ou prevenir a perda muscular na FSHD, em conjunto com abordagens que tentem silenciar o próprio DUX4.

Porque a totipotência e o ADN viral importam para a medicina do futuro

Dos embriões iniciais a tecidos cultivados em laboratório

Compreender como surgem estados totipotentes ajuda os investigadores a desenhar melhores modelos de células estaminais e, um dia, embriões artificiais para investigação. Se os elementos virais atuarem como interruptores mestres, poderão tornar-se ferramentas para reprogramar células com maior precisão.

Por exemplo, uma ativação cuidadosamente temporizada de elementos semelhantes à MERVL - ou dos seus equivalentes humanos - poderá empurrar células estaminais pluripotentes induzidas um passo mais perto da totipotência. Isso poderia alargar a gama de tecidos que conseguem gerar e talvez permitir a criação de estruturas de suporte necessárias para organoides ou estruturas sintéticas semelhantes a embriões.

No entanto, qualquer tentativa de empurrar células de volta para um estado embrionário deve evitar atividade prolongada do tipo DUX4, que arrisca elevar NOXA e desencadear morte celular ou instabilidade genómica. Separar o lado “bom” do lado “mau” destes fatores torna-se um desafio central para terapias futuras.

Termos e conceitos-chave

Várias noções técnicas estão no núcleo desta investigação:

• Retrovírus endógenos: sequências virais que infetaram células germinativas há muito tempo e agora permanecem permanentemente no genoma, geralmente inativas.
• Elementos transponíveis: segmentos de ADN que podem deslocar-se no genoma - ou que no passado foram capazes de o fazer; muitos derivam de vírus antigos.
• Pluripotente vs. totipotente: células pluripotentes podem formar todos os tecidos embrionários, mas não estruturas extraembrionárias; células totipotentes podem formar ambos.
• Apoptose: uma forma controlada de morte celular, muitas vezes orientada por genes como NOXA, usada para remover células danificadas ou desnecessárias.

Riscos, benefícios e próximos passos

Aproveitar ADN viral para a medicina traz promessa e risco. Por um lado, estes elementos parecem talhados para um controlo rápido e coordenado de enormes redes genéticas, o que poderia ajudar na reparação de tecidos ou regeneração de órgãos. Por outro, a ativação fora de tempo - como se observa na FSHD - pode danificar tecidos adultos.

Experiências futuras poderão testar pequenas moléculas, anticorpos ou ferramentas de silenciamento génico que bloqueiem seletivamente NOXA no músculo. Em paralelo, é provável que o trabalho se foque em usar CRISPRa ou sistemas relacionados para estimular programas de embrião inicial em células estaminais, sem as empurrar para um estado tóxico.

À medida que esta investigação avança, o nosso genoma parece menos um código estático e mais um arquivo de infeções passadas reaproveitado como sistema de controlo para as primeiras decisões da vida. Os mesmos fósseis virais que ajudaram a moldar a nossa evolução poderão agora orientar novas abordagens para tratar doenças.