Visão Geral dos Repetidos em Tandem

O Que São Repetições em Tandem?

As repetições em tandem são sequências de ADN compostas por dois ou mais nucleotídeos que se replicam consecutivamente ao longo de um cromossoma numa disposição contínua, de cabeça para cauda. Estas unidades repetitivas, frequentemente referidas como motivos de repetição, exibem variabilidade, variando desde algumas repetições até potencialmente centenas dentro de uma localidade cromossómica específica.

Os Diferentes Tipos de Repetições em Tandem

As repetições em tandem são distinguidas pela sua diversa classificação, abrangendo formas micro, variantes curtas e longas, e microsatélites.

As duas categorias principais para repetições em tandem são as seguintes:

• Repetições em Tandem Curtas (STR) ou Microsatélites

Microsatélites, também reconhecidos como repetições de sequência simples (SSRs), denotam repetições em tandem de ADN com tamanhos de motivo variando de 1 a 6 pares de bases (pb).

Análise
• Número Variável de Repetições em Tandem (VNTR)

Referidos de forma intercambiável como minisatélites e microsatélites, os VNTRs são unidades de repetição em tandem de ADN com um tamanho de motivo de ≥7 pb. Embora alguma literatura classifique motivos de ≥100 pb como microsatélites, este uso carece de consistência e ainda os classifica como VNTRs segundo os critérios definidos.

Crucialmente, a classificação das repetições em tandem é independente do número de repetições da unidade. Notavelmente, um STR de três pares de bases (por exemplo, "ACG") repetido 10.000 vezes em tandem (totalizando 30.000 pares de bases) continua classificado como um STR. Da mesma forma, um motivo de 50 bases repetido apenas três vezes (totalizando 150 pares de bases) ainda seria considerado um VNTR, apesar do seu comprimento total mais curto em comparação com o primeiro exemplo. Esta classificação sublinha a ênfase no tamanho da unidade repetitiva e nas suas unidades individuais, independentemente do número total de cópias.

A Origem do "ADN Satélite"

A origem do termo "ADN satélite" pode ser rastreada até uma época em que o sequenciamento de ADN não era tão avançado, acessível ou prevalente como é hoje. Antes da era do sequenciamento de ADN preciso e disseminado, os investigadores empregavam técnicas alternativas para discernir a composição do genoma de um organismo. A terminologia, incluindo "ADN satélite", "microsatélite" e "minisatélite", surgiu da caracterização inicial de segmentos específicos de ADN genómico durante a centrifugação em gradiente de densidade.

No meio do século XX, os cientistas utilizaram a centrifugação em gradiente de densidade para isolar ADN. Durante este processo, notaram que o ADN genómico exibia bandas distintas de densidades variadas. Algumas dessas bandas manifestaram-se como satélites, posicionadas afastadas da banda principal de ADN genómico. Ao sequenciar estas bandas de ADN satélite, os investigadores descobriram a presença de repetições em tandem de diferentes tamanhos, agora referidas coletivamente como ADN satélite.

A distinção entre repetições em tandem de ≥7 pb sendo denominadas "repetições em tandem de número variável" (VNTRs) e repetições menores sendo rotuladas como repetições em tandem curtas (STRs) não implica variabilidade inerente em uma sobre a outra. A nomenclatura não é indicativa de uma diferença em mutabilidade ou variabilidade entre VNTRs e STRs, incluindo a frequência de mutações pontuais dentro dos seus motivos ou a variabilidade no número de repetições no genoma. Esta classificação está enraizada no tamanho da unidade repetitiva, não no nível de variabilidade, enfatizando uma abordagem histórica e descritiva em vez de um reflexo direto das suas características dinâmicas.

Por Que É Importante Estudar o Mecanismo das Repetições em Tandem?

A importância das repetições em tandem vai além da sua presença predominante em regiões de genes não codificantes, desempenhando um papel crucial na biologia com implicações mais profundas do que inicialmente aparentes. Compondo mais de 3% de todo o genoma humano, as repetições em tandem exercem um impacto substancial na variação estrutural genómica, particularmente para sequências que excedem 50 pares de bases. A variabilidade acentuada dentro destas regiões de repetições em tandem sublinha o seu papel fundamental na formação dos fenótipos de numerosos organismos eucarióticos.

Além disso, as repetições em tandem surgem como fatores influentes no domínio da saúde humana. Foram identificadas como jogadores-chave no início de várias doenças genéticas, elevando a sua importância na investigação biomédica. Sequências de repetições em tandem, quando ligadas a alterações na expressão génica, têm sido implicadas em numerosos tipos de câncer e conectadas a mais de 50 distúrbios neurológicos, como ELA, FXS, ataxia, transtornos do espectro autista e esquizofrenia. Isso destaca a sua relevância na compreensão da base molecular das doenças.

A identificação, delimitação precisa e catalogação de sequências de repetições em tandem representam os passos fundamentais na desvendar dos seus mecanismos que provocam doenças. Esta exploração intrincada detém a promessa de revelar potenciais biomarcadores, elucidar alvos terapêuticos e fomentar o desenvolvimento de terapias—um caminho imperativo para avançar na nossa compreensão e tratamento de diversas condições médicas.

As Características da Sequência Repetida

Em comparação com outras estruturas genómicas, as sequências repetidas exibem características distintivas que as tornam instrumentais em várias aplicações biológicas:

• Taxa Evolutiva Acelerada e Marcadores Específicos de Espécie

Sequências repetitivas evoluem a um ritmo mais rápido, com certas sequências sendo específicas de espécie. Estes elementos repetitivos específicos de espécie servem como valiosos marcadores genéticos, facilitando o estudo das relações filogenéticas entre diferentes espécies.

• Impressão Digital de Cromossomas e Análise de Cariotipo

Sequências repetitivas desempenham um papel vital na impressão digital de cromossomas e na análise de cariotipo. Isso ajuda na localização precisa de segmentos cromossómicos exógenos. Além disso, sequências SSR derivadas de elementos repetitivos são empregues na construção de mapas genéticos, localização de genes, identificação de variedades e aplicações relacionadas.

• Deteção e Identificação de Material Genético Exógeno

Sequências repetitivas, particularmente aquelas espalhadas por todo o genoma, servem como sondas para a deteção e identificação de material genético exógeno em diferentes espécies.

• Modificação Epigenética e Regulação da Expressão Génica

Sequências repetitivas contribuem para modificações epigenéticas, influenciando a regulação de genes inseridos ou vizinhos. Isso, por sua vez, modula a expressão génica, impactando fenótipos individuais e influenciando a adaptabilidade.

Contudo, a natureza intrincada do genoma, juntamente com o polimorfismo das sequências repetitivas e os desafios associados à montagem, complica a sua identificação. Apesar desses desafios, os avanços na tecnologia de sequenciamento de alto rendimento, a diminuição dos custos de sequenciamento e o desenvolvimento contínuo de algoritmos de software sofisticados estão progressivamente superando esses obstáculos. Como resultado, a identificação de sequências repetitivas, especialmente aquelas com ocorrências de alta frequência no genoma, está se tornando mais viável e promete uma melhor compreensão genómica.

Revolucionando a Pesquisa sobre Repetições em Tandem com Sequenciamento de Longa Leitura e Análise Bioinformática

Em contraste com os métodos antiquados de centrifugação em gradiente de densidade, os cientistas contemporâneos aproveitam tecnologias avançadas de sequenciamento de ADN para desvendar as complexidades das repetições em tandem. Particularmente, plataformas de sequenciamento de longa leitura como sequenciamento PacBio HiFi e sequenciamento Nanopore tornaram-se indispensáveis. Estas tecnologias, caracterizadas por comprimentos de leitura prolongados, capacitam os investigadores a identificar precisamente as bases enquanto atravessam extensas matrizes de sequências repetitivas com sobreposição substancial nos comprimentos de leitura.

O panorama da pesquisa sobre repetições em tandem passou por uma mudança transformadora, impulsionada pela integração de ferramentas de análise bioinformática adaptadas para complementar o sequenciamento PacBio HiFi. Esta abordagem inovadora contorna os desafios associados aos métodos tradicionais, oferecendo aos investigadores leituras extensas que superam 10.000 pares de bases, com altos níveis de precisão (99,9%) e uma gama de ferramentas de análise especializadas capazes de navegar nas complexidades das investigações sobre repetições em tandem.

As principais aplicações facilitadas por esta abordagem avançada incluem:

• Genotipagem de Tamanho e Estimativa de Mosaicismo

Determinação precisa dos tamanhos das repetições em tandem e estimativa de padrões de mosaicismo dentro de sequências genómicas.

• Análise da Composição da Sequência

Análise aprofundada das composições de sequência, incluindo identificação de quebras e regiões que abrigam múltiplas repetições.

• Deteção de Metilação 5mC CpG

Identificação e caracterização precisas da metilação CpG ao nível de 5mC.

• Empilhamento de Leituras Resolvidas por Haplótipo e Visualização do Estado de Metilação

Exploração abrangente do empilhamento de leituras resolvidas por haplótipo, juntamente com ferramentas de visualização para discernir o estado de metilação.

A sinergia entre sequenciamento de longa leitura e análise de dados biológicos marca uma ruptura com os desafios matemáticos do passado. Os investigadores agora possuem os meios para abordar questões cruciais sobre o papel destas regiões genómicas fundamentais em uma gama de fenómenos genéticos, abrangendo a evolução de características até a biologia intrincada das doenças hereditárias.