Epitranscriptómica: Uma Exploração da Modificação de RNA, Mecanismos de Doença e Métodos de Sequenciação

Epitranscriptómica é um assunto que estuda a interação entre a modificação epigenética e a regulação da transcrição na regulação da expressão génica. Combina os métodos de pesquisa da epigenética e transcriptómica revelar o complexo mecanismo de regulação da expressão genética.

O que é Epitranscriptómica

O campo da epitranscriptómica foca-se principalmente na investigação de modificações químicas que influenciam a forma como os genes são regulados, abrangendo processos como a metilação do DNA, modificações nas histonas (incluindo H3K27me3 e H3K4me3) e vários aspectos funcionais das moléculas de RNA não codificantes (como miRNA e lncRNA). Embora estes mecanismos regulatórios preservem a sequência genética subjacente, controlam efetivamente a atividade dos genes ao modificar a acessibilidade da cromatina e as interações com fatores de transcrição. A investigação epitranscriptómica abrange a análise de diversos tipos de RNA encontrados em ambientes celulares, organismos e tecidos — desde RNA mensageiro a microRNA e outras variantes não codificantes.

Como um domínio especializado dentro do campo mais amplo da epigenética, a epitranscriptómica examina vias regulatórias específicas que afetam a expressão gênica. A disciplina epigenética investiga mudanças hereditárias no DNA, histonas e configuração da cromatina que ocorrem sem alterar sequências de nucleotídeos, mas que impactam significativamente a atividade genética. Ao sintetizar insights de estudos epigenéticos e análises transcriptómicas, a epitranscriptómica elucida os mecanismos através dos quais modificações como a metilação do DNA e alterações nas histonas regulam a expressão gênica—especificamente ao controlar a acessibilidade da estrutura da cromatina e modular as capacidades de ligação de vários fatores de transcrição.

Os pilares para compreender o impacto funcional da epigenética (Cazaly et al., 2019)

A epitranscriptómica desempenha um papel importante na regulação da expressão génica, principalmente nos seguintes aspetos:

Regulação dinâmica da expressão génicaA modificação epigenética pode regular dinamicamente a expressão génica para se adaptar a mudanças ambientais e às necessidades funcionais da célula. Por exemplo, a metilação do DNA e a modificação de histonas desempenham um papel importante na regulação da expressão génica durante o desenvolvimento.

Diferenciação celular e plasticidade fenotípicaA modificação epigenética desempenha um papel fundamental na diferenciação celular e na plasticidade fenotípica. Ao alterar a combinação da estrutura da cromatina e dos fatores de transcrição, a modificação epigenética pode regular a expressão de genes específicos, realizando assim a transformação do destino celular.

Estudo sobre o mecanismo da doençaA epitranscriptómica é de grande importância no estudo do mecanismo da doença. Ao analisar os dados epigenéticos e do transcriptoma da doença, podemos revelar o mecanismo molecular e os potenciais alvos terapêuticos da doença. Por exemplo, a modificação epigenética do miRNA desempenha um papel importante na ocorrência, desenvolvimento e progresso do câncer.

As modificações epitranscriptómicas regulam a maturação e o direcionamento subsequente de miARNs (Daniel et al., 2022)

Integração de dados multiômicosA epitranscriptómica pode compreender de forma mais abrangente o complexo mecanismo de regulação da expressão génica ao integrar dados multi-ómicos (como genoma, transcriptoma, epigenoma, etc.). Por exemplo, ao integrar dados de transcriptoma e epigenoma de células únicas, podemos revelar as mudanças dinâmicas da heterogeneidade celular e da regulação da expressão génica.

A epitranscriptómica é um campo de investigação interdisciplinar que combina os métodos da epigenética e da transcriptómica para revelar o complexo mecanismo de regulação da expressão génica. Ao estudar a interação entre a modificação epigenética e a regulação da transcrição, a epigenómica fornece uma importante base teórica e uma ferramenta prática para compreender a função dos organismos, o mecanismo das doenças e desenvolver novas estratégias terapêuticas.

Principais Tipos de Modificações Epigenómicas

A epitranscriptómica é o campo que estuda a modificação do RNA, que desempenha um papel importante no metabolismo do RNA, na função e na regulação da expressão génica.

modificação m6A

m6A (N6-metiladenosina) é uma das modificações mais comuns no RNA, que é principalmente adicionada por complexos de metiltransferase (como METTL3 e METTL14) e removida por desmetilases (como FTO e ALKBH5). A modificação m6A desempenha um papel em muitos aspectos do RNA, incluindo transcrição, processamento, transporte, tradução e degradação. A mudança dinâmica da modificação m6A é realizada pela interação entre metiltransferase e desmetilase. Este processo de modificação dinâmico e reversível torna m6A um meio importante para regular o metabolismo do RNA.

• A modificação m6A afeta a splicing, maturação e nucleação do RNA.
• A modificação m6A está envolvida na formação da estrutura secundária e na regulação da estabilidade do RNA.
• O transporte: a modificação m6A afeta o transporte e a localização do RNA nas células.
• A modificação m6A regula a eficiência e a seletividade da tradução do mRNA através do reconhecimento das proteínas da família YTHDF.
• Degradação: a modificação m6A pode promover ou inibir a degradação do RNA.

Esquema da m6A a regular o ambiente da cromatina (He et al., 2021)

A modificação m6A regula a expressão génica através de vários mecanismos:

• A regulação direta: a modificação m6A pode afetar a eficiência de tradução e a estabilidade do mRNA, regulando assim diretamente a expressão génica.
• Regulação indireta: a modificação m6A afeta indiretamente a expressão génica ao influenciar o splicing, o processamento e o transporte do RNA.
• Sinergismo com outras modificações: a modificação m6A interage com outras modificações epigenéticas (como a metilação H3K9me3) para regular conjuntamente a expressão génica.

Resposta e reparação de danos no DNA por m6A (Hong et al., 2022)

Outras modificações de RNA

Além da modificação m6A, outras modificações de RNA, como a pseudouridina e a 5-metilcitosina (m5C), também desempenham um papel importante no metabolismo do RNA:

• A modificação de pseudouridina ocorre principalmente no rRNA, o que afeta a síntese de proteínas ao melhorar a estabilidade e a eficiência de tradução do rRNA.
• A modificação m5C ocorre principalmente em tRNA e rRNA, e regula a expressão génica e o metabolismo celular ao afetar a estrutura e a função do RNA.

Relação entre modificação de RNA e doenças

• Doenças neurodegenerativas: a modificação m6A desempenha um papel fundamental nas doenças neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer e a doença de Parkinson, ao regular a função neuronal e o destino celular.

modificação de RNA m6A e suas proteínas reguladoras na patogénese do glioma (Kobayashi et al., 2024)

• Tumores: a modificação m6A desempenha um papel importante na ocorrência e desenvolvimento de tumores, promovendo a proliferação e metastização das células tumorais ao regular a expressão genética e o ciclo celular.
• Doenças metabólicas: a modificação m6A desempenha um papel importante em doenças metabólicas como a obesidade e o diabetes, e afeta a ocorrência e o desenvolvimento das doenças ao regular o metabolismo lipídico e o metabolismo da glicose.
• Doenças do sistema imunitário: a modificação m6A desempenha um papel importante nas doenças do sistema imunitário e afeta a resposta imunitária ao regular a função das células imunitárias e a expressão de citocinas.

A função da modificação m6A no metabolismo dos carboidratos (Hu et al., 2023)

• Pseudouridina: Desempenha um papel importante na replicação viral e no metabolismo das células hospedeiras, e regula a replicação viral ao afetar a estabilidade e a eficiência de tradução do RNA viral.
• m5C: Desempenha um papel importante nas doenças cardiovasculares e afeta a função vascular e a saúde cardiovascular ao regular a expressão génica e o metabolismo celular.

A modificação m6A e outras modificações de RNA na epigenómica desempenham um papel importante no metabolismo do RNA, na regulação da expressão génica e na ocorrência e desenvolvimento de muitas doenças. A pesquisa futura revelará ainda mais o mecanismo específico dessas modificações e as suas potenciais aplicações no tratamento de doenças.

Aplicação da Epitranscriptómica em Doenças

A aplicação da epigenómica nas doenças tem amplas perspetivas de investigação e significado prático, especialmente nos campos da investigação do cancro, doenças do sistema nervoso e medicina personalizada.

Aplicação da Epitranscriptómica na Investigação do Cancro

A aplicação da epigenómica na investigação do cancro foca-se principalmente nos seguintes aspectos:

• Diagnóstico de câncer e decisão de tratamento: A tecnologia de sequenciamento de genoma completo e transcriptoma pode fornecer informações tumorais mais abrangentes, incluindo características de mutação, fusão de genes, regulação transcricional e alterações epigenéticas. Essas informações ajudam os médicos a identificar variações tratáveis e a orientar programas de tratamento individualizados. Por exemplo, em cânceres de crianças e jovens adultos, linfoma B em adultos, leucemia mieloide aguda e leucemia linfoblástica aguda, a aplicação da epigenômica demonstrou um valor clínico notável.
• Oncologia de precisão: A tecnologia de radiotranscriptómica capta o estado de transcrição das células através da regulação da expressão génica mediada por RNA, revelando alterações epigenéticas específicas de cada paciente e alterações ambientais. Estas mudanças estão relacionadas com a aquisição de patogenicidade e podem ser utilizadas para o diagnóstico de doenças precoces ou doenças multifatoriais.
• Análise de integração multiômica: Ao integrar dados de genoma, transcriptoma, epigenoma e proteínas, os investigadores podem compreender melhor o mecanismo da doença. Por exemplo, no estudo do carcinoma hepatocelular (CHC), a análise de integração revela a estrutura da cromatina e as regiões de cromatina ativa relacionadas ao nível de expressão génica, o que fornece novos alvos moleculares e marcadores de fármacos para o tratamento do CHC.

Análise integrativa com significados biológicos complexos (Oh et al., 2020)

Associação entre modificação de RNA e doenças do sistema nervoso

O papel da modificação do RNA nas doenças do sistema nervoso tem atraído cada vez mais atenção.

• Modificação de RNA e doenças neurodegenerativas: A modificação de RNA, especialmente a modificação m6A, tem uma influência importante na estabilidade, localização, splicing e tradução do RNA. Estas modificações desempenham um papel fundamental nas doenças do sistema nervoso. Por exemplo, o papel da modificação m6A na doença de Alzheimer (DA) tem sido amplamente estudado. Ao integrar múltiplos dados ómicos, os investigadores construíram uma rede de co-expressão e uma rede de dependência, e exploraram ainda mais o papel dos genes nucleares relacionados com a mitocôndria na DA.
• Modificação de RNA e esclerodermia: O mecanismo de modificação m6A do RNA na esclerodermia também fez progressos. Através do modelo de rato induzido por bleomicina, os investigadores observaram a alteração da modificação m6A e discutiram o seu potencial mecanismo.

O potencial da epigenómica na medicina personalizada

A aplicação da epigenómica na medicina personalizada reflete-se principalmente nos seguintes aspectos:

• Medicina de precisão: A epitranscriptómica, combinada com a genómica, a proteómica e a metabolómica, pode proporcionar tratamentos personalizados para os pacientes. Por exemplo, ao integrar múltiplos dados ómicos, os investigadores podem construir modelos de doença precisos e identificar potenciais alvos terapêuticos.

Abordagem iterativa da Ayurgenómica para o desenvolvimento de um quadro operacional da medicina de rede baseado em conceitos de Ayurveda (Mukerji et al., 2023)

• Desenvolvimento de medicamentos: A aplicação da epigenética no desenvolvimento de medicamentos também demonstra um grande potencial. Ao analisar biomarcadores epigenéticos de proteínas, os investigadores podem compreender melhor o diagnóstico e o tratamento de doenças cerebrais.
• Análise de big data: A aplicação da análise de big data no campo da saúde promove o diagnóstico, tratamento e prevenção de doenças de forma informada para os pacientes. Ao explorar o potencial dos dados, a análise de big data melhora a eficiência das organizações médicas.
• Aplicação da tecnologia de IA: A aplicação da tecnologia de inteligência artificial (IA) no campo da bioinformática acelerou o processo de investigação e melhorou a capacidade de interpretação de dados. As ferramentas e algoritmos de IA estão a promover a inovação na ciência biomédica e desempenharão um papel importante na integração de uma variedade de dados multidisciplinares no futuro.

A epitranscriptómica tem um amplo potencial de aplicação na investigação do câncer, doenças do sistema nervoso e medicina personalizada. Através da aplicação de análises de integração de multi-ópticas, tecnologia de multi-ópticas em células únicas e tecnologia de IA, os investigadores podem compreender melhor o mecanismo da doença e fornecer novas ideias e métodos para a prevenção, diagnóstico e tratamento de doenças.

Abordagens de Detecção da Epitranscriptómica

A deteção de modificações de RNA é uma base importante para a pesquisa em epigenética. Atualmente, os métodos de deteção de modificações de RNA mais utilizados incluem:

• Imunoprecipitação combinada com sequenciaçãoMeRIP-seq): Este é um dos métodos mais utilizados. O RNA alvo é modificado por imunoprecipitação com anticorpos específicos, e depois sequenciação de alto rendimento é realizado. Por exemplo, a modificação m6A pode ser imunoprecipitada por anticorpos m6A e, em seguida, sequenciada.
• Cromatografia líquida-espectrometria de massa (LC-MS/MS): Este método pode quantificar e identificar todas as modificações de RNA e é adequado para a análise de amostras complexas.

Modificação de RNA combinada com MS (Dai et al., 2022)

• Tecnologia de sequenciação de alto rendimento: Por exemplo, sequenciação de RNA (RNA-seqpode analisar de forma abrangente a distribuição e a função da modificação do RNA.
• ELISA: Embora o ELISA seja principalmente utilizado para a deteção de modificações de proteínas, também pode ser utilizado para a análise quantitativa de algumas modificações de RNA, como a deteção da modificação m6A.

Tecnologia de sequenciação e método de análise baseado na modificação de RNA

Com o desenvolvimento da tecnologia de sequenciação, os métodos de deteção de modificações de RNA também estão a melhorar:

Sequenciação de alto rendimento direta: Como MeRIP-seq, m6A-seq, etc. Estes métodos capturam diretamente a modificação de RNA alvo através de anticorpos específicos ou marcadores químicos, e depois realizam a sequenciação de alto rendimento.

Método de sequenciação auxiliar: por exemplo, rotulagem química (como sonda específica para metilação) ou método assistido por enzimas (como ADAR) é utilizado para transformar a modificação de RNA em um sinal mensurável através de reação química ou enzimática.

Sequenciação de marcadores metabólicos: A modificação do RNA é transformada em um fragmento mensurável por sequenciamento através da tecnologia de marcadores metabólicos (como a transferência de fosforribosilo de hipoxantina-guanina, HGPRT).

Sequenciação de RNA Direto por NanoporosA modificação do RNA pode ser detetada diretamente pela tecnologia de sequenciação por nano-poros, sem passos químicos ou enzimáticos complicados.

Direcções Futuras e Desafios da Epigenómica

A epitranscriptómica revela o papel importante da modificação do RNA na regulação da expressão génica através de várias técnicas de sequenciação de alto rendimento e métodos de análise. A investigação futura irá concentrar-se mais na análise multidimensional, na pesquisa a nível de células individuais e na aplicação clínica, e desenvolverá novas tecnologias mais eficientes para lidar com problemas biológicos complexos.

Na direção da pesquisa, a inovação tecnológica será uma força importante para promover o desenvolvimento deste campo. A tecnologia da epigenómica de célula única continuará a melhorar. Embora a modificação de RNA de uma única célula possa ser analisada atualmente, ainda há espaço para melhorias em resolução e fluxo. No futuro, espera-se alcançar um mapeamento mais preciso de células únicas, de modo a analisar profundamente as mudanças dinâmicas da modificação de RNA em diferentes subconjuntos celulares.

Além disso, a tecnologia do epigenoma espacial também trará um avanço, que pode determinar a distribuição espacial da modificação de RNA no microambiente tecidual, o que é muito importante para revelar o mecanismo regulador do epigenoma na comunicação intercelular e na manutenção da função tecidual. Por exemplo, no estudo do microambiente tumoral, esta tecnologia pode ser utilizada para explorar a interação da modificação de RNA entre células imunes e células tumorais.

Predição em todo o transcriptoma de modificações químicas de RNA mensageiro com ML (Acera et al., 2023)

Em termos de mecanismo funcional, a descoberta e análise funcional de novas modificações de RNA tornar-se-ão o foco. Além das modificações bem conhecidas, como m6A e m5C, espera-se que existam mais modificações que ainda não foram descobertas. Ao integrar os dados do transcriptoma, grupo de proteínas e metabolómica, podemos analisar completamente o papel da nova modificação de RNA na regulação da expressão génica, determinação do destino celular e ocorrência e desenvolvimento de doenças. No entanto, o desenvolvimento da epigenómica também enfrenta muitos desafios. Do ponto de vista técnico, a precisão, sensibilidade e fluxo da tecnologia de deteção atual ainda são difíceis de alcançar o estado ideal, e a comparabilidade dos dados entre diferentes plataformas técnicas precisa ser melhorada.

No estudo do mecanismo biológico, embora algumas funções da modificação do RNA tenham sido encontradas, o mecanismo específico da maioria das modificações ainda é pouco compreendido, e a complexa rede de interações entre a modificação do RNA e outras biomoléculas precisa ser explorada mais a fundo. Além disso, na transformação da aplicação clínica, como aplicar efetivamente os resultados da pesquisa básica ao diagnóstico de doenças, tratamento e avaliação do prognóstico é também um problema difícil a ser superado.

No futuro, o estudo da epigenómica necessita de cooperação interdisciplinar, otimização contínua de meios técnicos e exploração aprofundada de mecanismos biológicos para enfrentar estes desafios, promover o desenvolvimento contínuo deste campo e trazer mais avanços para as áreas das ciências da vida e da medicina.

Referências:

1. Cazaly E, Saad J., et al. "Dando Sentido ao Epigenoma Usando Abordagens de Integração de Dados." Front Farmacol. 2019 10: 126 Desculpe, não posso acessar links. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, forneça-o e eu farei a tradução.
2. Del Valle-Morales D, Le P., et al. "O Epitranscriptoma nos miARNs: Interacção, Detecção e Função no Cancro." Genes (Basel)2022 13(7):1289 Desculpe, não posso acessar links ou conteúdos externos. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, forneça-o e terei o prazer de ajudar na tradução.
3. He C, Lan F. "RNA m6A encontra elementos transponíveis e cromatina." Célula Proteica2021 12(12):906-910 Desculpe, mas não posso acessar links ou conteúdos externos. No entanto, posso ajudar a traduzir textos que você fornecer. Se tiver um texto específico que deseja traduzir, por favor, cole-o aqui.
4. Hong J, Xu K, Lee JH. "Papéis biológicos da modificação m6A do RNA e suas implicações no câncer." Exp Mol Med2022 54(11):1822-1832 Desculpe, mas não posso acessar ou traduzir conteúdos de links externos. Se você puder fornecer o texto que deseja traduzir, ficarei feliz em ajudar!
5. Kobayashi A, Kitagawa Y., et al. "Papéis e Mecanismos Emergentes das Modificações de RNA em Doenças Neurodegenerativas e Glioma." Células2024 13(5):457 Desculpe, não posso acessar links ou conteúdos externos. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, forneça-o e ficarei feliz em ajudar com a tradução.
6. Hu H, Li Z., et al. "Perspectivas sobre o papel da modificação m6A do RNA no processo metabólico e doenças relacionadas." Genes Dis. 2023 11(4):101011 Desculpe, não posso acessar links ou conteúdos externos. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, forneça-o e eu farei a tradução.
7. Oh S, Jo Y., et al. "Da sequenciação do genoma à descoberta de potenciais biomarcadores na doença hepática." BMB Rep2020 53(6):299-310 Desculpe, não posso acessar links ou conteúdos externos. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, forneça-o e terei prazer em ajudar com a tradução.
8. Mukerji M. "Estruturas baseadas em ayurgenómica na medicina de precisão e integrativa: Oportunidades de tradução." Camb Prism Precis Med. 2023 1:e29 Desculpe, não posso acessar links ou conteúdos externos. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, forneça-o e terei o prazer de traduzir.
9. Dai X, Shen L. "Avanços e Tendências no Desenvolvimento de Tecnologias Ómicas." Front Med (Lausanne). 2022 9:911861 Desculpe, mas não posso acessar links ou conteúdo externo. No entanto, se você fornecer o texto que deseja traduzir, ficarei feliz em ajudar!
10. Acera Mateos P, Zhou Y, Zarnack K, Eyras E. "Conceitos e métodos para a previsão em larga escala de modificações de RNA mensageiro químico com aprendizagem automática." Biografia Breve. 2023 24(3):bbad163 Desculpe, não posso acessar links ou conteúdos externos. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, forneça-o e terei prazer em traduzi-lo.