Ciências Ômicas e seu papel na medicina de precisão

As ciências ômicas fazem parte das ciências biológicas e compreendem os estudos da Genômica, Proteômica, Metabolômica e Transcriptômica.

Um dos principais objetivos da pesquisa na área da medicina de precisão é identificar biomarcadores associados a doenças e, assim, alterar a trajetória da saúde de indivíduos através do diagnóstico precoce. Nas últimas décadas, os avanços na tecnologia resultaram em um desenvolvimento sem precedentes na pesquisa científica e na história da pesquisa biomédica. A tecnologia de sequenciamento, por exemplo, ajudou a decifrar o código genético não apenas de humanos, mas de outros diferentes organismos. Já as tecnologias de imagem, possibilitaram a visualização e monitoramento de processos celulares e moleculares. Da mesma forma, as tecnologias como espectrometria de massa ou Ressonância Magnética Nuclear (RMN) permitiram o aumento do conhecimento sobre funções de diferentes sistemas biológicos, assim como a composição molecular. Estes avanços tecnológicos levaram a criação de campos de pesquisa, chamados de “omics” ou ciências ômicas.

O termo “Omics” se refere a diferentes tecnologias usadas para estudar a função, diferenças e a interação entre vários tipos de moléculas que constituem as células de um organismo, como genes, transcritos, proteínas e pequenos metabólitos.

Portanto, as ciências ômicas são campos de estudo que fazem parte das ciências biológicas e compreendem os estudos que terminam com -omics, como Genômica, Proteômica, Metabolômica e Transcriptômica. A seguir vamos conhecer um pouco mais sobre cada uma destes campos.

Principais campos das Ciências Ômicas

Genômica

A palavra genômica foi usada pela primeira vez pelo Dr. Thomas H. Roderick, um geneticista nos Estados Unidos, em 1986. Acredita-se que apalavra é derivada do termo “Genom”, usado por Hans Winkler, em 1920 para descrever um conjunto de cromossomos haploides. Então, a palavra genoma se refere ao conjunto de informações genéticas de um organismo. Neste sentido, Genômica é o estudo do genoma, o que inclui as regiões codificantes e não codificantes, assim como as sequencias extracromossomais como mitocôndrias.

Em 1977, a técnica de sequenciamento de DNA desenvolvida por Frederik Sanger se tornou a principal utilizada entre os pesquisadores, mas foi em 1986 que o primeiro sequenciador automático de DNA foi desenvolvido. A automação do processo, tornou os sequenciamentos de material genético cada vez mais populares nas áreas clínicas e de pesquisa. Desde então, novas tecnologias foram desenvolvidas tornando esse processo mais rápido e menos custoso, como o caso do NGS (Next-Generation Sequencing), que permite sequenciar milhões de fragmentos em poucas horas.

A genômica foi a primeira das ciências ômicas a ter a tecnologia e dados disponibilizados. Portanto, a maioria dos esforços em medicina de precisão neste se concentraram nos estudos da genômica. A genômica voltada a saúde humana teve maior destaque com o Projeto Genoma Humano, um esforço internacional que visava identificar todos os genes humanos e determinar a sequência completa de bases de DNA no genoma.

Saiba mais em: Genoma: A jornada de 30 anos do Projeto Genoma Humano

Um dos principais objetivos da genômica é identificar alterações genéticas relacionadas a características de interesse. Portanto, estas informações vêm sendo utilizadas para prever o risco individual de desenvolver doenças e avaliar se tratamentos específicos são adequados e provavelmente bem-sucedidos em pacientes individuais.

Além do sequenciamento de genoma humano, outro campo importante relacionado a saúde humana na genômica é conhecido como metagenômica. A metagenômica, também conhecida como genômica ambiental, é o estudo da diversidade, taxonomia e funcionalidade de uma comunidade microbiana coexistindo em um ambiente, através do sequenciamento do material genético total de uma amostra.

A metagenômica é utilizada, por exemplo, para determinar a microbiota intestinal de um indivíduo ou diagnosticar uma infecção. Quando a metagenômica tem o objetivo de caracterizar ou estudar patologias virais emergentes, ela é conhecida como viroma.

Saiba mais em: Metagenômica: novo estudo global de microbioma urbano

Transcriptômica

A transcriptomica é o estudo do transcriptoma, ou seja, do conjunto completo de todas as moléculas de RNA (ácido ribonucléico) expressa em uma célula, tecido ou organismo. A transcriptômica aborda todos os tipos de transcrições, incluindo RNAs mensageiros (mRNAs), microRNAs (miRNAs) e diferentes tipos de RNAs não codificadores longos (lncRNAs). Além disso, o estudo é voltado para tudo que envolve RNAs, níveis de transcrição e expressão, funções, localizações e degradação.  

Estudos científicos sobre doenças têm usado extensivamente estas abordagens para traçar o perfil genético e analisar quantitativamente o transcriptoma para determinar como mudanças na transcrição podem estar relacionadas ao desenvolvimento e progressão de doenças.

Os dados gerados em estudos de transcriptoma são utilizados para analisar traços quantitativos de expressão loci (eQTL) para identificar mecanismos funcionais relacionados a variação da sequências genéticas. Em outras palavras, relacionar variação da sequência de DNA com alterações na expressão genética.

Conheça sobre técnica de sequenciamento de RNA: RNA-seq: ferramenta para estudos de expressão gênica

Proteômica

Os avanços nas análises de expressão genética levaram a investigações voltadas para a análise dos produtos da transcrição de RNA, as proteínas celulares. Enquanto a transcriptômica quantifica o produto do genoma, a proteômica estuda o proteoma, ou seja, conjunto de proteínas produzidas em um organismo, sistema ou contexto biológico.

A proteômica pode ser utilizada por exemplo para investigar a correlação entre os níveis de expressão proteica e os níveis correspondentes de expressão mRNA, o envolvimento das proteínas nas vias metabólicas, taxa de produção e degradação e quando e onde elas são expressas.

Vários estudos usam técnicas de proteômica, como a espectrometria de massa, para identificar biomarcadores associados a cânceres como de ovário e de mama. Além disso, na medicina personalizada, a proteômica também vem sendo utilizada para prever sensibilidade ou resistencia a medicamentos em indivíduos.

Metabolômica

A metabolômica é o estudo dos metabolomas, ou seja, o conjunto de metabólitos, pequenas moléculas localizadas dentro de células, tecidos ou organismos. Coletivamente, essas pequenas moléculas e suas interações dentro de um sistema biológico são conhecidas como metaboloma.

Metabólitos são frequentemente vistos como produtos de processos celulares, mediados por proteínas. Portanto, alterações nos metabólitos podem ser reflexos de mudanças na função das enzimas e proteínas mediadoras. Alguns estudos, por exemplo, identificaram relação entre biomarcadores metabólicos associados a doenças, como alterações em carboidratos em pessoas com leucemia mielóide aguda, ou de ácidos graxos insaturados em pessoas com câncer colorretal.

Análise Multi-ômica

Quando os dados obtidos em diferentes abordagens das ciências ômicas são analisados de forma independente, os resultados podem ser distorcidos ou tendenciosos. Por exemplo, embora seja possível identificar variantes genéticas associados a certas doenças, existem outros fatores complexos do seu desenvolvimento e progressão. Por isso, é importante e necessário ter uma visão mais ampla dos diferentes dados ômicos para obter uma resposta mais completa sobre os processos biológicos.   

Neste sentido, a abordagem multi-omica se refere a integração de dados ômicos para realização de uma análise. Ou seja, são estudos que examinam vários aspectos moleculares e celulares envolvidos em doenças ou outras características de interesse. Portanto, a multi-ômica engloba a genômica, transcriptômica, proteômica e metabolômica para obter resultados mais confiáveis sobre os processos biológicos.

Embora promissora, a iniciativa necessita de constante avanço e capacidade computacional para processamento dos dados ômicos. Além disso, ela ainda tem um alto custo pois depende de vários processos que permitam a análise efetiva dos dados biológicos.

Principais referências

Mutz KO, Heilkenbrinker A, Lönne M, Walter JG, Stahl F. Transcriptome analysis using next-generation sequencing. Curr Opin Biotechnol. 2013;24(1):22-30. Doi:10.1016/j.copbio.2012.09.004

Karczewski KJ, Snyder MP. Integrative omics for health and disease. Nat Rev Genet. 2018;19(5):299-310. doi:10.1038/nrg.2018.4

Olivier M, Asmis R, Hawkins GA, Howard TD, Cox LA. The Need for Multi-Omics Biomarker Signatures in Precision Medicine. Int J Mol Sci. 2019;20(19):4781. Published 2019 Sep 26. doi:10.3390/ijms20194781

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