Enhancer: elemento genético associado a progressão de doenças

Enhancer é uma sequência curta de nucleotídeos que pode estimular ou potencializar a transcrição de genes. Entenda sua relação com a progressão de doenças.

Doenças genéticas muitas vezes são associadas apenas a alterações em determinadas regiões codificantes do DNA. No entanto, essas regiões correspondem a apenas 1,5% de todo o genoma humano, sendo cerca de 98% constituído por sequências de DNA não codificante. Estudos mais recentes, voltados ao entendimento das regiões não codificantes, identificaram uma relação direta entre variantes de um elemento regulatório conhecido como enhancer e a progressão de diversas doenças em humanos, como o câncer.

Regiões do genoma

O genoma é composto por regiões codificantes e não codificantes. A fração codificante é composta por sequências de DNA que carregam a instrução para a síntese de proteínas responsáveis por funções específicas do organismo. As regiões codificantes do DNA foram protagonistas da maioria dos estudos sobre o material genético, por conter as informações genéticas responsáveis por características que são passadas pelas gerações. Por outro lado, embora as regiões não codificantes não sintetizem proteínas, elas são de extrema importância em funções regulatórias do DNA.

Dentre os elementos mais conhecidos da fração não codificante estão os promotores, que são sequências curtas de DNA localizados a poucos nucleotídeos antes (upstream) dos genes. Uma das principais funções dos promotores é indicar ao RNA ribossomal onde se ligar para dar início a transcrição de um gene. Outro elemento que vem se destacando em estudos recentes sobre regulação gênica é conhecido como enhancer, ou autossomo.

O que é um enhancer?

Enhancers são sequências curtas de nucleotídeos que podem estimular ou potencializar a transcrição de genes mesmo estando localizado a milhares de nucleotídeos do promotor. Esse elemento pode ter sua funcionalidade restrita a células ou tecidos específicos, condições fisiológicas, patológicas, ambientais, entre outros. Enhancers são elementos cis-reguladores e exercem sua função independente da orientação (3’-5’ ou 5’-3’). Estes elementos muitas vezes contêm sítios conservados de reconhecimento que servem como plataformas de ligação para elementos regulatórios como RNA polimerase, fatores de transcrição (TFs) e co-ativadores.

Enhancers podem regular um ou mais genes de uma mesma molécula de DNA e são capazes de contornar genes vizinhos mais próximos para atuar em genes mais distantes. Neste caso, determinadas proteínas podem causar modificações físicas no eixo da fita de DNA, como uma dobra –looping– (figura abaixo). As modificações aproximam os elementos e facilitam a interação entre os ativadores ligados aos enhancers e os fatores de transcrição ligados à região promotora.

Enhancer
Ilustração representativa de uma dobra no eixo da fita de DNA aproximando os ativadores ligados ao enhancer aos fatores de transcrição ligados à região promotora, regulando a transcrição de um gene B.

A influência de enhancer a doenças

O Estudo de Associação Genômica Ampla (Genome-Wide Association Studies- GWAS) é uma análise em larga escala que identifica polimorfismos simultâneos no genoma associados a algum traço ou doença. Cerca de 80% das variantes são identificadas em regiões não codificantes. Recentemente, diversos estudos realizados sugerem que alterações genéticas em enhancers podem contribuir substancialmente para progressões de certas doenças em humanos.  Dessa forma, simples alterações nas sequencias desses elementos podem, por exemplo, intensificar ainda mais o nível de transcrição de um gene-alvo, ou até mesmo desativar sua atividade reguladora totalmente.  

A primeira doença associada a atividade de um enhancer foi identificada em 2005 na doença de Hirschsprung, relacionada ao intestino grosso. Desde então, diversos estudos vêm sendo desenvolvidos para mapear e identificar enhancers no genoma e a relação com doenças em humanos. Um exemplo recente foi mostrado em um estudo de 2020 que associou a atividade de super-enhancers ao câncer de próstata.

O que é um super-enhancer?

O super-enhancer (SE) é definido como um agrupamento de enhancers que se localizam próximos uns aos outros. Assim como um enhancer individual, fatores de transcrição específicos se ligam a esse agrupado para desencadear a interação entre enhancer e promotor de um gene através de aproximação. Em seguida, a maquinaria de transcrição basal é recrutada para iniciar a atividade de transcrição de determinado gene.

Porém, diferentemente de um enhancer individual, um super-enhancer apresenta uma maior quantidade de sítios de ligação que possibilitam abrigar fatores regulatórios em uma densidade média 10 vezes maior. Portanto, o nível de expressão gênica relacionado ao SE é significativamente mais potente do que o dos genes regulados por um enhancer individual, como representado na figura abaixo .

Trabalhos recentes relacionaram a desregulação transcricional de vias oncogênicas, que desempenha um papel importante na gênese e no desenvolvimento do câncer, com a ação de super-enhancers. Os estudos identificaram variações genéticas nestes elementos que foram associadas a vários subtipos de câncer.

As pesquisas demostraram que a super expressão de oncogenes pode ser mediada por:

  1. Alterações genéticas nas sequências dos super-enhancers
  2. Alterações genéticas que modificam a configuração 3D da cromatina, levando a ativação do oncogene através da ligação entre super-enhancer e promotor.  

Modelo de identificação de enhancer

A identificação destes elementos através de técnicas mais comuns de sequenciamento pode ser desafiadora devido a forma de ação dos enhancers – em células, tecidos ou situações específicas, como citado anteriormente. Além disso, análises como GWAS muitas vezes não permitem estabelecer a influência de uma variante a uma determinada característica. Dessa forma, novos estudos visam associar diferentes ferramentas a fim de identificar e validar a relação entre regiões não codificantes e determinados genes.

Em um trabalho recentemente publicado na revista Nature, Jesse M. Engreitz e colaboradores desenvolveram um modelo que permite, de forma razoavelmente precisa, identificar enhancers e seus genes-alvo em diferentes células e tecidos. O modelo utilizado no estudo foi nomeado de Activity-by-Contact (ABC), em português Atividade por contato. Este modelo é baseado em duas principais informações:

  1. Frequência do contato entre um enhancer e o promotor de um gene-alvo
  2. Nível de atividade deste enhancer.

No estudo realizado com 131 tipos de células e tecidos humanos, a equipe relacionou os mapas desenvolvidos com o modelo ABC para interpretar as funções de variantes identificadas no GWAS. O modelo ABC foi capaz de associar mais de 5.000 sinais obtidos pelo GWAS a 2.250 genes únicos, associados a 72 traços e doenças, incluindo câncer. Como resultado, a análise permitiu a identificação de 6 milhões de conexões entre enhancers e genes. O modelo foi validado através da técnica de CRISPR e representa uma importante ferramenta para mapear enhancers e sua ação em diferentes células e tecidos.

Em conclusão, é evidente que identificar a relação entre enhancers e genes que determinam traços específicos. Esse é um passo promissor para o desenvolvimento de inibidores direcionados a estes elementos em terapias para diversas doenças.   

Referências:

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NASSER, J. et al. Genome-wide enhancer maps link risk variants to disease genes. Nature. Online. 2021. doi: 10.1038/s41586-021-03446-x

PENNACCHIO, Len A., et al. Enhancers: five essential questionsNat Rev Genet. 2013;14(4):288-295. doi:10.1038/nrg3458

THANDAPANI, P. Super-enhancers in cancerPharmacology & therapeutics vol. 199 2019; 129-138. doi:10.1016/j.pharmthera.2019.02.014

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