Quando os vírus entram no corpo, como durante uma gripe ou uma infecção gastrointestinal, os processos dentro das células infectadas mudam: na pior das hipóteses, o vírus pega o leme e reprograma a célula em sua vantagem. Em seguida, produz componentes virais em grande escala, permitindo que o intruso se multiplique exponencialmente.
Em outras células, no entanto, o vírus pode ser eliminado com sucesso pela ativação de mecanismos de defesa celular. Mas como pode ser que uma célula seja invadida e outra tenha sucesso em controlar o vírus? Com que rapidez as células individuais reagem a um ataque viral e quais genes de proteção são ativados?
Cientistas da Universidade Julius Maximilian de Würzburg e do Instituto Helmholtz para Pesquisa de Infecção com base em RNA (HIRI) em Würzburg investigaram essas questões. Eles desenvolveram um novo método, scSLAM-seq, que lhes permite rastrear a atividade de milhares de genes em células individuais durante várias horas. Pela primeira vez, os pesquisadores conseguiram explicar por que algumas células são infectadas com sucesso por um vírus, enquanto outras não. Além disso, eles também adquiriram novos insights fundamentais sobre a regulação dos genes. Seus resultados foram publicados na edição de 18 de julho da revista científica Nature.
Em estreita cooperação com o professor Florian Erhard do Instituto de Virologia e Imunobiologia da Universidade Julius-Maximilians-Würzburg (JMU) e Dr. Antoine-Emmanuel Saliba do Instituto Helmholtz para Pesquisa de Infecção com base em RNA (HIRI), Professor Lars Dölken, O chefe do Departamento de Virologia da JMU e sua equipe investigaram como a atividade do gene, que reflete a identidade e o estado fisiológico de uma célula, muda em células individuais de camundongo infectadas após uma infecção por citomegalovírus.
Os citomegalovírus são disseminados, com mais de 80% das pessoas infectadas. Geralmente, as pessoas saudáveis ??não são prejudicadas pelo vírus, no entanto, uma infecção em recém-nascidos ou pacientes transplantados pode se tornar perigosa e ter graves consequências neurológicas. Um método experimental, o sequenciamento de RNA unicelular (scRNAseq), que surgiu há apenas alguns anos, pode ser usado para determinar quais genes de uma célula estão ativos atualmente. No entanto, alterações de curto prazo na atividade genética, como aquelas que ocorrem durante uma infecção viral, dificilmente podem ser detectadas. Além disso, cada célula individual só pode ser examinada uma vez.
Com as tecnologias atuais, portanto, não ficou claro como as células individuais reagem a estímulos externos, por exemplo, uma infecção viral. A fim de investigar os processos moleculares que ocorrem em células infectadas individuais, os pesquisadores desenvolveram um novo método, chamado scSLAM-seq, que, pela primeira vez, permite visualizar quais genes são ativados em células individuais dentro do período de tempo de uma célula. algumas horas. Quando um gene é ativado, uma cópia de RNA (ácido ribonucléico) do DNA é produzida. O RNA consiste de quatro componentes, a saber, as bases orgânicas adenina, citosina, guanina e uracila. Estes são organizados em uma cadeia e em uma combinação que é característica do gene original. Isso serve como um modelo para a produção de uma proteína que executa uma função específica dentro da célula.
scSLAM-seq classifica RNA em velho e novo
A fim de distinguir entre RNA que já estava presente antes da infecção viral e novo RNA que foi feito depois, os pesquisadores utilizaram um truque de rotulagem: Eles adicionaram uma forma do componente uracil RNA, que foi quimicamente modificado em comparação com sua variante natural, para o meio de cultura das células ao mesmo tempo que o vírus infectante. As células então incorporaram o uracilo marcado em seu RNA recém-produzido. Depois de extrair o RNA das células duas horas depois, o uracilo marcado foi convertido em outro componente do RNA, a citosina, por meio de uma reação química. “A sequência de RNA contém citosina, enquanto o uracilo deveria ter sido incorporado”, explica Dölken. “A idéia por trás disso é que o RNA produzido após a infecção agora tem um rótulo que pode ser usado para identificá-lo como ‘novo’ durante o seqüenciamento subsequente de RNA”.
Usando um novo método bioinformático patenteado, os pesquisadores investigaram o RNA de cada célula individual. Desta forma, eles foram capazes de avaliar comumente a expressão de mais de 4000 genes por célula e quantificar precisamente as contribuições relativas de RNAs novos e antigos. “Os dados que podemos coletar usando scSLAM-seq são espetaculares”, diz Erhard. “Para cada célula individual, podemos determinar que porcentagem de seu RNA é produzida recentemente dentro de duas horas após um desafio – neste caso, uma infecção viral. Pela primeira vez, isso permite análises dose-resposta no nível de célula única.” A equipe de pesquisa investigou o RNA de 100 células individuais no total. “Isso foi suficiente para obter uma visão inteiramente nova sobre a ativação do gene celular”, diz Saliba. “Pela primeira vez, o scSLAM-seq nos permite analisar com precisão como uma única célula reage a uma ruptura como uma infecção viral ou bacteriana em um curto espaço de tempo e quais genes são subsequentemente lidos mais ou menos freqüentemente, permitindo entender plano de batalha que a célula preparou para a luta contra um intruso “.
Cada célula funciona de maneira diferente
Os cientistas também conseguiram mostrar que a produção de RNA de um gene, chamado transcrição, não é contínua, mas ocorre em rajadas: durante a infecção viral, centenas de genes que são transcricionalmente silenciosos são ativados. Em particular, isso inclui genes que ajudam nossas células a combater a infecção. “Em nossas análises, muitos genes celulares exibiram pronunciado comportamento de explosão. Dentro de uma célula, quase todo o RNA de um gene era novo ou velho”, diz Erhard, “e pudemos mostrar que o comportamento de explosão depende da estrutura de certas regiões da sequência do gene – os promotores – que controlam a transcrição de genes “. A transcrição é, portanto, não apenas mais forte ou mais fraca nas células infectadas, mas ocorre de acordo com um princípio on / off. Saliba: “Isso também explica por que as células geralmente têm perfis de RNA tão diferentes e por que algumas células são capazes de combater os vírus imediatamente no primeiro contato e por que os outros precisam primeiro da ajuda das células vizinhas”. Cada célula funciona de acordo com seu próprio ritmo: Células com perfis de RNA inicialmente idênticos exibirão RNAs completamente diferentes após apenas alguns dias. Dölken: “Nossas investigações nos permitiram obter insights inovadores sobre o momento da ativação do gene celular, que de fato mudou completamente a minha compreensão dessa área”.
Proteção contra doenças autoimunes
O princípio on / off da ativação do gene celular provavelmente tem uma função muito importante para nós: se todos os genes usados ??para combater os vírus fossem continuamente produzidos por todas as células do corpo, isso poderia levar a reações indesejáveis ??e doenças auto-imunes. “Ao ligar no momento certo – mas apenas quando absolutamente necessário – nosso sistema imunológico pode criar um ambiente celular protetor sem risco de falsas reações prejudiciais que podem levar à autoimunidade”, diz Dölken. Por esse motivo, certos mecanismos são totalmente funcionais em apenas um pequeno número de células do corpo. Essas células “sentinelas” são capazes de detectar um vírus invasor e combatê-lo eficientemente, por exemplo. Eles informam as outras células, que então também iniciam o arsenal de defesa completo e ativam os genes apropriados para controlar a infecção e evitar o perigo.
Usando seu método patenteado de análise de bioinformática chamado “GRAND-SLAM”, que é necessário para avaliar os dados experimentais altamente complexos, os pesquisadores em Würzburg obtiveram novos insights sobre processos celulares ocultos. “Pela primeira vez, podemos realmente ver como uma única célula reage”, diz Dölken. Ele pode ser usado em futuras investigações para responder a uma ampla gama de perguntas no nível de célula única. “O scSLAM-seq é ideal para estudos knock-out, a fim de descobrir quais genes desempenham um papel fundamental no combate a patógenos ou no desenvolvimento de doenças”, diz Saliba. “É metodologicamente simples, a qualidade dos dados é alta e ideal para estudos de dose-resposta, também ao longo do tempo.” O scSLAM-seq e o GRAND-SLAM terão, portanto, importantes implicações em outros campos da ciência natural, como o câncer e o desenvolvimento de drogas.
Mais informações: Florian Erhard et al. O scSLAM-seq revela as principais características da dinâmica de transcrição em células individuais, Nature (2019). DOI: 10.1038 / s41586-019-1369-y.
Publicado em 11/07/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-07-virus-host-cell.html
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