As sequências de DNA que podem se dobrar em formas diferentes da dupla hélice clássica tendem a ter taxas de mutação mais altas do que outras regiões do genoma humano. Uma nova pesquisa feita por uma equipe de cientistas da Penn State mostra que a elevada taxa de mutação nessas sequências desempenha um papel importante na determinação da variação regional nas taxas de mutação em todo o genoma. Decifrar os padrões e as causas da variação regional nas taxas de mutação é importante tanto para entender a evolução quanto para prever locais de novas mutações que podem levar à doença.
Um artigo que descreve a pesquisa está disponível online na revista Nucleic Acids Research.
“Na maioria das vezes pensamos no DNA como a dupla hélice clássica; essa forma básica é conhecida como ‘B-DNA'”, disse Wilfried Guiblet, co-autor do artigo, um estudante graduado da Penn State na época de pesquisa e agora um pós-doutorado no National Cancer Institute. ?Mas, tanto quanto 13% do genoma humano pode dobrar em diferentes conformações chamadas ‘DNA não-B’. Queríamos explorar que papel, se houver, esse DNA não-B desempenhou na variação que vemos nas taxas de mutação entre as diferentes regiões do genoma. ”
O DNA não-B pode se dobrar em várias conformações diferentes, dependendo da sequência de DNA subjacente. Os exemplos incluem G-quadruplexes, Z-DNA, H-DNA, cadeias deslizantes e várias outras conformações. Pesquisas recentes revelaram que o DNA não-B desempenha papéis críticos nos processos celulares, incluindo a replicação do genoma e a transcrição do DNA em RNA, e que as mutações em sequências não-B estão associadas a doenças genéticas.
“Em um estudo anterior, mostramos que no sistema artificial de um instrumento de sequenciamento de DNA, que usa processos de cópia de DNA semelhantes aos da célula, as taxas de erro eram maiores no DNA não-B durante a polimerização”, disse Kateryna Makova, Verne M. Willaman Chair of Life Sciences da Penn State e um dos líderes da equipe de pesquisa. “Achamos que isso ocorre porque a enzima que copia o DNA durante o sequenciamento tem mais dificuldade de ler o DNA não-B. Aqui, queríamos ver se um fenômeno semelhante existe nas células vivas.”
A equipe comparou as taxas de mutação entre o DNA B e não B em duas escalas de tempo diferentes. Para examinar mudanças relativamente recentes, eles usaram um banco de dados existente de sequências de DNA humano para identificar nucleotídeos individuais – letras do alfabeto de DNA – que variavam entre os humanos. Esses “polimorfismos de nucleotídeo único” (SNPs) representam locais no genoma humano onde em algum ponto no passado uma mutação ocorreu em pelo menos um indivíduo. Para observar mudanças mais antigas, a equipe também comparou a sequência do genoma humano ao genoma do orangotango.
Eles também investigaram múltiplas escalas espaciais ao longo do genoma humano, para testar se o DNA não-B influenciava as taxas de mutação em nucleotídeos adjacentes e mais distantes.
“Para identificar diferenças nas taxas de mutação entre o DNA B e não B, usamos ferramentas estatísticas de ‘análise de dados funcionais’ em que comparamos os dados como curvas em vez de olhar para pontos de dados individuais”, disse Marzia A. Cremona, co- primeiro autor do artigo, um pesquisador de pós-doutorado na Penn State na época da pesquisa e agora um professor assistente na Université Laval em Quebec, Canadá. “Esses métodos nos dão o poder estatístico para contrastar as taxas de mutação para os vários tipos de DNA não-B contra controles de DNA-B.”
Para a maioria dos tipos de DNA não-B, a equipe encontrou taxas de mutação aumentadas. As diferenças foram suficientes para que as taxas de mutação de DNA não-B impactassem a variação regional em seu ambiente imediato. Essas diferenças também ajudaram a explicar uma grande parte da variação que pode ser vista ao longo do genoma na escala de milhões de nucleotídeos.
“Quando olhamos para todos os fatores conhecidos que influenciam a variação regional nas taxas de mutação em todo o genoma, o DNA não-B é o maior contribuinte”, disse Francesca Chiaromonte, presidente da Huck em Estatística para Ciências da Vida da Penn State e uma das líderes da equipe de pesquisa. “Há muito tempo que estudamos a variação regional nas taxas de mutação, de vários ângulos diferentes. O fato de o DNA não-B ser um contribuidor importante para essa variação é uma descoberta importante.”
“Nossos resultados têm implicações médicas críticas”, disse Kristin Eckert, professora de patologia e bioquímica e biologia molecular da Penn State College of Medicine, pesquisadora do Penn State Cancer Institute, autora do artigo e colaboradora de longa data da equipe. “Por exemplo, os geneticistas humanos devem considerar o potencial de um locus para formar DNA não-B ao avaliar variantes genéticas candidatas para doenças genéticas humanas. Nossa pesquisa atual e futura está focada em desvendar a base mecanística por trás das elevadas taxas de mutação em não-B DNA. ”
Os resultados também têm implicações evolutivas.
“Sabemos que a seleção natural pode impactar a variação no genoma, então, para este estudo, analisamos apenas as regiões do genoma que achamos que não estão sob a influência da seleção”, disse Yi-Fei Huang, professor assistente de biologia na Penn State e um dos líderes da equipe de pesquisa. “Isso nos permite estabelecer uma taxa de mutação de linha de base para cada tipo de DNA não-B que, no futuro, poderíamos potencialmente usar para ajudar a identificar assinaturas de seleção natural nessas sequências.”
Por causa de suas taxas de mutação aumentadas, as sequências de DNA não-B podem ser uma fonte importante de variação genética, que é a fonte final de mudança evolutiva.
“As mutações são geralmente consideradas tão raras que, quando vemos a mesma mutação em diferentes indivíduos, presumimos que esses indivíduos compartilharam um ancestral que transmitiu a mutação a ambos”, disse Makova, pesquisadora do Penn State Cancer Institute. “Mas é possível que a taxa de mutação seja tão alta em algumas dessas regiões de DNA não-B que a mesma mutação poderia ocorrer independentemente em vários indivíduos diferentes. Se isso for verdade, mudaria a forma como pensamos sobre a evolução.”
Publicado em 09/02/2021 20h40
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