Mapeamento Abrangente dos Elementos Regulatórios no Genoma da Galinha

O frango, o pioneiro entre os animais agrícolas a ter o seu genoma sequenciado, é uma pedra angular da domesticação. Como uma das espécies de aves mais estudadas, fornece informações valiosas sobre as conexões evolutivas entre mamíferos e espécies avícolas. Para além do seu estatuto no domínio agrícola, o frango serve como um modelo crucial em várias disciplinas científicas, incluindo biologia evolutiva e do desenvolvimento, imunologia e regulação epigenética dos genes. O esforço para anotar elementos funcionais em genomas de gado desempenha um papel fundamental na decifração das bases moleculares de características economicamente significativas e complexas, como crescimento, reprodução e resistência a doenças. Este esforço, especialmente em termos de anotação abrangente de regiões não codificantes, é uma necessidade urgente. Em analogia aos projetos da Enciclopédia de Elementos de DNA (ENCODE) e do Mapa do Epigenoma, o consórcio de Anotação Funcional de Genomas Animais (FAANG) está a fazer progressos notáveis na melhoria anotação do genoma para gado e aves.

No entanto, a anotação atual dos elementos regulatórios continua confinada a um conjunto limitado de tecidos, especialmente no frango. Isso sublinha a necessidade urgente de um mapeamento mais exaustivo dos elementos regulatórios. O mapeamento abrangente dos elementos regulatórios no genoma do frango promete facilitar a identificação de potenciais locais de variantes causais para características economicamente importantes. Isso, por sua vez, acelera o processo de reprodução e enriquece ainda mais a utilidade dos frangos como sujeitos de pesquisa nas ciências da vida.

Este estudo representa um esforço pioneiro na construção de um mapa de elementos regulatórios em vários tecidos, integrando dados de 377 distintos epigenómico, transcriptómicoe conjuntos de dados de conformação da cromatina derivados de 23 tecidos principais de galinhas adultas. Explora as funções específicas de tecido dos elementos regulatórios e antecipa interações entre potenciadores e seus genes-alvo, destacando até mesmo o conceito de super-potenciadores.

Ao iluminar os aspectos funcionais destes elementos, esta pesquisa contribui para a nossa compreensão de diversos aspectos, como a domesticação de galinhas, características monogénicas e a complexa regulação de características economicamente significativas.

O resumo do atlas epigenómico de frango. (Pan et al., 2023)

Regulação Génica Específica de Tecidos em Galinhas

Neste estudo, foram gerados 377 conjuntos de dados genómicos a partir de 23 tecidos principais de frango, utilizando uma combinação de tecnologias avançadas, incluindo ChIP-seq (pelo histona H3K4me3, H3K4me1, H3K27ac, H3K27me3 e CTCF), ATAC-seq, DNase-seq, RRBS, RNA-seq, e Hi-C. Estes conjuntos de dados foram meticulosamente avaliados no contexto de diversos ensaios histológicos e tecidos. Eles lançam luz sobre a intrincada relação entre elementos regulatórios e expressão génica.

Como um exemplo notável, os conjuntos de dados revelaram que o CDH17 exibiu uma expressão específica e pronunciada em tecidos intestinais em comparação com outros tipos de tecidos. Além disso, estava conspicuamente enriquecido perto do local de início da transcrição (TSS) dentro da modificação H3K27ac, espelhando os resultados de outros marcadores regulatórios ativos, em contraste com marcadores de modificação regulatória inibitória. Estas descobertas enfatizam coletivamente como os genes expressos de forma específica em tecidos em galinhas são regulados de forma coesa por diferentes marcadores epigenéticos.

Decifrando Estados da Cromatina

Subsequentemente, ao amalgamar dados de todas as cinco marcas epigenéticas em 23 tecidos distintos, os autores do ChromHMM conseguiram prever 15 estados únicos de cromatina. Como era de esperar, estes estados exibiram padrões de enriquecimento diferencial: os promotores predominavam nas proximidades dos locais de início de transcrição (TSS), regiões não codificantes na extremidade 5' e ilhas CpG. Tanto os promotores ativos como os potenciadores estavam significativamente sobre-representados nos TSS e em genes expressos quando comparados a genes reprimidos.

Entre estes estados da cromatina, a atividade dos potenciadores demonstrou o maior dinamismo entre os tecidos, enquanto a atividade dos promotores permaneceu notavelmente conservada. Os promotores exibiram níveis de conservação mais elevados do que os potenciadores e as regiões de repressão ao nível da sequência de ADN. Os autores também exploraram a intrincada interação entre elementos reguladores e a expressão génica nas proximidades de regiões específicas de quebra evolutiva no genoma da galinha, assim como a relação intrincada entre Metilação do DNA e elementos regulatórios.

A sua investigação centrou-se particularmente nas interacções entre potenciadores e genes-alvo específicos, ilustrando o seu papel na regulação da expressão génica. Notavelmente, os genes associados a uma abundância de potenciadores apresentaram níveis elevados de expressão génica, padrões de expressão específicos de tecido diminuídos e uma maior conservação a nível de sequência em comparação com genes com menos potenciadores associados. Para exemplificar estes conceitos, os autores utilizaram o locus do gene da proteína associada à ovalbumina (OVAL) para elucidar como os elementos reguladores orquestram a expressão génica através de um espectro de tecidos.

Descoberta e caracterização de estados de cromatina e interações entre potenciadores e genes em galinhas. (Pan et al., 2023)

O Papel dos Elementos Regulatórios na Genética e Evolução das Aves de Capoeira

Neste estudo, exploram a aplicação de anotação genómica elevada na investigação da biologia das galinhas. Ao examinar características de gene único, aproveitam variantes causais que residem nas regiões não codificantes de sete características específicas incluídas na base de dados. Notavelmente, os seus resultados revelam que seis dessas características (que constituem 75%) estão intrinsecamente ligadas a um ou mais elementos regulatórios ativos meticulosamente organizados. Exemplos notáveis incluem loci de variantes de características associados à polidactilia (SNP) e à coloração da plumagem das galinhas (deleção), ambos identificados dentro destes domínios regulatórios.

Além disso, a sua investigação abrange uma análise abrangente de traços complexos, examinando especificamente GWAS estatísticas resumidas para 44 características economicamente significativas em galinhas, incluindo parâmetros como crescimento e produção de ovos. Notavelmente, descobriram uma maior prevalência de elementos regulatórios ativos associados a sinais de GWAS.

Os elementos regulatórios envolvidos em traços monogénicos de frango, traços complexos e assinaturas de seleção. (Pan et al., 2023)

O seu estudo também investiga a intrigante relação entre a domesticação e os elementos reguladores. É evidente a partir da sua pesquisa que a domesticação parece ser impulsionada pela regulação de potenciadores específicos de tecido. Isto, quando combinado com descobertas previamente documentadas sobre os processos seletivos durante a domesticação, nomeadamente na transição de galinhas selvagens vermelhas para galinhas domésticas e na diferenciação entre frangos modernos e galinhas poedeiras, destaca uma interação convincente de fatores. Estas observações sugerem que o seu mapeamento de elementos reguladores fornece insights valiosos na caracterização de loci candidatos. Isto, por sua vez, promete enriquecer a sua compreensão dos mecanismos moleculares que sustentam a evolução e seleção tanto de genes únicos como de traços complexos, assim como adaptações no domínio das galinhas.

Referência:

1. Pan, Zhangyuan, et al. "Um atlas de elementos regulatórios em galinhas: Um recurso para genética e genómica de galinhas." Avanços em Ciência 9.18 (2023): eade1204.