Sítios de início da transcrição: onde o genoma humano é mais vulnerável a mutações

Investigadores conseguiram identificar zonas muito específicas no genoma humano onde o ADN tem maior probabilidade de sofrer mutações.

Em particular, nos locais em que a polimerase de ARN “abre” o ADN para ler e copiar instruções - os sítios de início da transcrição - o genoma fica invulgarmente exposto a danos e, por vezes, a reparações imperfeitas que se tornam alterações permanentes. Estes pontos são conhecidos como hotspots de mutação e podem ser determinantes para compreender a doença genética.

Hotspots de mutação nos sítios de início da transcrição (polimerase de ARN)

“Estas sequências têm uma propensão extrema para mutar e estão entre as regiões com maior importância funcional em todo o genoma humano, a par das sequências codificantes de proteínas”, afirma o geneticista Donate Weghorn, do Centro de Regulação Genómica, em Espanha.

Uma mutação genética surge frequentemente quando o ADN é danificado e o mecanismo de reparação falha ou corrige de forma incorreta, deixando uma pequena - mas irreversível - alteração no genoma.

Na maioria das vezes, as mutações são benignas e não afetam a saúde nem o desenvolvimento. Em situações mais raras, podem até ser vantajosas: as mutações benéficas impulsionam a evolução e a capacidade da vida se ajustar a circunstâncias em mudança. Já as mutações prejudiciais podem ter consequências graves - e, em alguns casos, ser transmitidas aos descendentes.

Estima-se que cerca de 300 milhões de pessoas, em todo o mundo, vivam com doenças genéticas raras. Por isso, perceber em que condições o genoma humano se torna mais suscetível a mutações é essencial para construir modelos fiáveis que ajudem a estudar e a explicar estes distúrbios.

Porque é que a transcrição aumenta o risco de dano no ADN?

O dano no genoma intensifica-se de forma acentuada durante a transcrição, o processo em que o ADN é copiado para moléculas mensageiras chamadas ARN.

Uma forma simples de visualizar isto é imaginar o genoma como um livro de receitas, e cada gene como uma receita. A polimerase de ARN “abre” o livro para copiar uma receita para uma nota autocolante - o ARN - e, de seguida, o livro volta a “fechar”. Só que estas aberturas e fechos repetidos podem provocar desgaste: em resultado destas ações, podem ocorrer danos até centenas de milhares de vezes por célula, por dia.

Perante este “atrito” adicional nos pontos onde a transcrição começa, Weghorn e a sua equipa quiseram perceber se ali existiria uma taxa mais elevada de reparações imperfeitas - precisamente o tipo de reparação que acaba por se fixar como mutação permanente.

Como os cientistas testaram a hipótese no genoma humano

Para avaliar a ideia, os investigadores analisaram grandes conjuntos de dados genómicos humanos, comparando diferentes categorias de mutações e a sua distribuição ao longo dos genes:

• Mutações extremamente raras (MER): rastrearam MER ao longo de quase 15 000 genes em mais de 220 000 indivíduos. Estas são mutações herdáveis que persistiram ao longo de várias gerações.
• Estudos “trio” (pai–mãe–filho): revisitaram dados de 10 estudos em que se sequenciam os genomas do pai, da mãe e do filho para identificar mutações de novo (MDN) - alterações que não foram herdadas e surgiram ao acaso no espermatozoide, no óvulo ou após a fusão de ambos.
• Mutações em mosaico: integraram evidência de 11 estudos já publicados sobre mutações que aparecem nas primeiras divisões celulares após a fecundação, originando um padrão “a manchas” (nem todas as células as têm). Isto acontece em todos os seres humanos; cada pessoa transporta pelo menos uma célula com uma mutação em mosaico.

O que apareceu (e desapareceu) nos dados: o hotspot “fantasma”

Nos indivíduos com MER, o sinal foi claro: existia um hotspot de mutação muito forte e consistente em torno dos sítios de início da transcrição. Voltando à metáfora do livro de receitas, seria como se o cozinheiro rasgasse a página ao abri-la, ou deixasse cair molho sobre ela, e a reparação “disfarçasse” ou alterasse parte da lista de ingredientes.

Contudo, nos estudos de MDN, esse hotspot desaparecia de forma intrigante. Se o hotspot fosse real, seria de esperar que também fosse visível nas mutações novas - e não apenas nas herdadas.

A explicação surgiu quando a equipa recorreu aos dados de mutações em mosaico: aí, o hotspot reapareceu - no exato mesmo local observado na análise das MER.

A interpretação foi a seguinte: muitas mutações precoces do embrião acumulam-se nos sítios de início da transcrição, mas, como as mutações em mosaico são irregulares e nem sempre aparecem em todas as células, podem parecer ruído de sequenciação. Por isso, muitos fluxos de análise de estudos de MDN acabam por as excluir automaticamente.

“Existe um ponto cego nestes estudos”, sublinha Weghorn.

Para contornar o problema, a equipa sugere estratégias como: - analisar padrões de coocorrência de mutações para inferir a presença de mutações em mosaico; - voltar aos dados e reavaliar variantes descartadas que ocorram perto do início da transcrição dos genes mais afetados pelo hotspot.

O mecanismo por detrás da fragilidade no início dos genes

Ao cruzar os três tipos de dados, os investigadores conseguiram clarificar os mecanismos que tornam os sítios de início da transcrição particularmente vulneráveis.

O arranque de um gene é um local intenso e delicado: a polimerase de ARN para frequentemente, desenrola o ADN por instantes e cria uma configuração complexa. Este “vai e vem” pode falhar ou manter o ADN exposto ligeiramente mais tempo do que o ideal, aumentando a probabilidade de dano e de reparações que deixam “cicatrizes” em vez de restaurarem o ADN de forma limpa.

Implicações para a investigação e para a interpretação clínica

Este resultado acrescenta uma peça importante ao puzzle de onde surgem as mutações no ADN - e pode melhorar estudos de condições genéticas que dependem fortemente de dados de mutações de novo (MDN). Se parte das alterações relevantes estiver a ser filtrada por parecer mosaico/ruído, algumas estimativas de risco e modelos de origem mutacional podem estar enviesados.

Além disso, mapear com precisão hotspots de mutação nos sítios de início da transcrição pode ajudar a afinar a priorização de variantes em contextos clínicos e de investigação, sobretudo quando se tenta distinguir alterações inofensivas de alterações com impacto em regulação génica - uma área em que pequenas mudanças fora das regiões codificantes podem ter efeitos desproporcionados.

A investigação foi publicada na revista Comunicações da Natureza.