Uma nova descoberta feita por pesquisadores do RIKEN Center for Biosystems Dynamics (BDR) no Japão derruba décadas de suposições sobre a replicação do DNA. Liderados por Ichiro Hiratani e colegas, os experimentos publicados em 28 de agosto em Natureza mostram que a replicação do DNA em embriões iniciais é diferente do que pesquisas anteriores ensinaram, e inclui um período de instabilidade que é propenso a erros de cópia cromossômica. Como gestações malsucedidas e distúrbios do desenvolvimento são frequentemente relacionados a anormalidades cromossômicas, as descobertas podem impactar o campo da medicina reprodutiva, talvez levando a métodos aprimorados de em vitro fertilização (FIV).
Durante a embriogênese, o óvulo fertilizado inicialmente se divide, assim como cada novo conjunto de células-filhas. No terceiro dia após a fertilização, um embrião passou por três divisões e contém 16 células. Cada divisão celular é acompanhada pela replicação do DNA, garantindo que cada célula-filha contenha uma cópia do genoma inteiro. Em seu novo estudo, a equipe de pesquisadores do RIKEN BDR se propôs a caracterizar a natureza do processo de replicação do DNA em embriões em estágio inicial. Eles usaram sua técnica caseira de genômica de célula única chamada scRepli-seq e a aplicaram ao desenvolvimento de embriões de camundongos. Com essa tecnologia, a equipe conseguiu tirar instantâneos do DNA de uma única célula embrionária em diferentes momentos durante os períodos de replicação do DNA. O que eles descobriram contradisse o que os cientistas presumiram sobre a replicação do DNA em embriões.
“Encontramos vários tipos especializados de replicação de DNA durante a embriogênese inicial do camundongo, o que ninguém tinha visto antes”, diz Hiratani. “Além disso, também descobrimos que em certos pontos, o DNA genômico é temporariamente instável e as aberrações cromossômicas são elevadas.”
Os livros didáticos nos dizem que o DNA não se replica de uma só vez. Em vez disso, diferentes regiões de um cromossomo são duplicadas em uma sequência específica. A primeira descoberta da equipe foi que os domínios de tempo de replicação observados em células maduras não existem até que um embrião tenha 4 células. Isso significa que, diferentemente de quaisquer outras células em um corpo eventual, o DNA é replicado uniformemente, não sequencialmente, em embriões de 1 e 2 células.
Cada vez que uma parte de um cromossomo se desenrola para replicação, regiões de DNA se descompactam formando uma estrutura que parece uma bifurcação na estrada. Para que a replicação prossiga, a bifurcação deve se mover para baixo na fita de DNA, recompactando regiões copiadas e descompactando a próxima seção. A segunda descoberta da equipe foi que a velocidade da bifurcação é muito mais lenta nos estágios de 1, 2 e 4 células do que após o estágio de 8 células da embriogênese. O embrião de 4 células agora pode ser visto como um estágio de transição durante o qual a replicação uniforme do DNA se torna sequencial, enquanto ainda mostra movimento lento da bifurcação característico de embriões de 1 e 2 células. Em contraste, embriões de 8 células são muito mais semelhantes a células maduras, mostrando replicação sequencial e movimento rápido da bifurcação.
Erros na replicação do DNA nos primeiros dias após a fertilização frequentemente resultam em irregularidades cromossômicas, como cópias extras, cópias faltantes, quebras em cópias ou cópias incompletas. Alguns desses erros de cópia levam ao aborto espontâneo, enquanto outros levam a distúrbios do desenvolvimento como a Síndrome de Down, também conhecida como trissomia 21. A terceira descoberta da equipe foi que a frequência de erros de cópia cromossômica foi temporariamente elevada em embriões em estágio inicial, mais comumente durante o estágio de 4 células.
Os pesquisadores usaram novamente o scRepli-seq, desta vez para detectar anormalidades no número de cópias cromossômicas. Eles descobriram que muito poucos erros ocorreram durante a transição entre os estágios de 1 e 2 células ou entre os estágios de 8 e 16 células. Por outro lado, 13% das células apresentaram anormalidades cromossômicas durante a transição entre os estágios de 4 e 8 células, provavelmente devido a erros de cópia durante o estágio de 4 células. Testes posteriores sugeriram que os erros de cópia neste estágio estavam relacionados às forquilhas de movimento lento.
“Nossas descobertas levam a muitas perguntas novas”, diz Hiratani. “Por exemplo, essas séries de fenômenos são evolutivamente conservadas em outras espécies, incluindo embriões humanos? E quais são os destinos subsequentes de células com aberrações cromossômicas?” Além de orientar a pesquisa básica no futuro, essa descoberta pode ajudar clínicas de fertilização a elaborar melhores estratégias para minimizar as anormalidades cromossômicas que são comuns nos primeiros dias após a fertilização.
