Projeto de leitura de genomas de 70.000 espécies de vertebrados relata as primeiras descobertas

E agora vem a primeira grande recompensa do Vertebrate Genome Project (VGP): genomas quase completos e de alta qualidade de 25 espécies, o pesquisador do Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Erich Jarvis com dezenas de co-autores relatam 28 de abril de 2021, em a revista. Natureza. Essas espécies incluem o morcego-ferradura, o lince canadense, o ornitorrinco e o papagaio kakapo, um dos primeiros genomas de alta qualidade de uma espécie de vertebrado ameaçada de extinção.

O documento também expõe avanços técnicos que permitem aos cientistas atingir um novo nível de precisão e integridade e abre caminho para a decodificação dos genomas de cerca de 70.000 espécies de vertebrados que vivem hoje, diz o pesquisador do HHMI e co-autor do estudo., David Haussler, um geneticista computacional na Universidade da Califórnia, Santa Cruz (UCSC). “Teremos uma imagem espetacular de como a natureza realmente preencheu todos os ecossistemas com essa incrível variedade de animais.”

Junto com uma série de anexos, o trabalho está começando a cumprir essa promessa. A equipe do projeto descobriu cromossomos até então desconhecidos no genoma do tentilhão-zebra, por exemplo, e uma descoberta surpreendente sobre as diferenças genéticas entre o sagui e o cérebro humano. A nova pesquisa também oferece esperança de salvar da extinção o papagaio kakapo e o golfinho vaquita, ameaçados de extinção.

“Esses 25 genomas representam um marco importante”, explica Jarvis, presidente da VGP e neurogeneticista da Universidade Rockefeller. “Estamos aprendendo muito mais do que esperávamos”, afirma. “A obra é uma prova de princípio do que está por vir”.

10K a 70K

O marco do VGP vem fermentando há anos. As origens do projeto remontam ao final dos anos 2000, quando Haussler, o geneticista Stephen O’Brien e Oliver Ryder, diretor de genética da conservação do Zoológico de San Diego, pensaram que era hora de pensar grande.

Em vez de sequenciar apenas algumas espécies, como humanos e organismos modelo como as moscas-das-frutas, por que não ler todos os genomas de 10.000 animais em um ousado esforço do “Genoma 10K”? Na época, porém, o preço estava na casa das centenas de milhões de dólares e o plano nunca realmente decolou. “Todos sabiam que era uma ótima ideia, mas ninguém queria pagar por ela”, lembra a pesquisadora e professora do HHMI Beth Shapiro, bióloga evolucionista da UCSC e coautora do Natureza papel.

Além disso, os primeiros esforços dos cientistas para soletrar ou “sequenciar” todas as letras do DNA no genoma de um animal foram crivados de erros. Na abordagem original usada para completar o primeiro genoma humano bruto em 2003, os cientistas cortaram o DNA em pequenos pedaços de algumas centenas de letras e leram essas letras. Em seguida, veio a tarefa diabolicamente difícil de reunir os fragmentos na ordem correta. Os métodos não eram adequados, resultando em montagens ruins, grandes lacunas e outros erros. Muitas vezes, nem mesmo era possível mapear genes em cromossomos individuais.

A introdução de novas tecnologias de sequenciamento com leituras mais curtas ajudou a tornar possível a ideia de leitura de milhares de genomas. Essas tecnologias de desenvolvimento rápido reduziram os custos, mas também reduziram a qualidade da estrutura de montagem do genoma. Então, em 2015, Haussler e seus colegas trouxeram Jarvis, um pioneiro em decifrar os intrincados circuitos neurais que permitem que os pássaros cantem novas melodias depois de ouvir as canções dos outros. Jarvis já havia mostrado um talento especial para gerenciar empreendimentos grandes e complexos. Em 2014, ele e mais de 100 colegas sequenciaram os genomas de 48 espécies de pássaros, revelando novos genes envolvidos no aprendizado vocal. “David e outros me pediram para liderar o projeto Genome 10K”, lembra Jarvis. “Eles sentiram que ele tinha personalidade para isso.” Ou, como diz Shapiro, “Erich é um líder muito agressivo, de uma maneira gentil. O que ele quer que aconteça, ele fará acontecer.”

Jarvis expandiu e renomeou a ideia do Genoma 10K para incluir todos os genomas de vertebrados. Ele também ajudou a lançar um novo centro de sequenciamento em Rockefeller que, junto com um no Instituto Max Planck na Alemanha dirigido pelo ex-líder do grupo de pesquisa HHMI Janelia, Gene Myers, e outro no Instituto Sanger no Reino Unido. Reino dirigido por Richard Durbin e Mark Blaxter. , está atualmente produzindo a maioria dos dados do genoma VGP. Ele pediu a Adam Phillippy, um dos principais especialistas em genoma do National Human Genome Research Institute (NHGRI), para presidir a equipe de montagem do VGP. Em seguida, ele encontrou cerca de 60 cientistas de alto nível dispostos a usar seu próprio dinheiro doado para pagar os custos de sequenciamento nos centros para lidar com os genomas que mais importavam para eles. A equipe também negociou com Maori na Nova Zelândia e oficiais no México para obter amostras de kakapo e vaquita em “um belo exemplo de colaboração internacional”, disse Sadye Paez, diretora do programa VGP da Rockefeller.

Abrindo portas

A enorme equipe de pesquisadores fez uma série de avanços tecnológicos. Novas máquinas de sequenciamento permitem que eles leiam fragmentos de DNA de 10.000 ou mais letras, em vez de apenas algumas centenas. Os pesquisadores também desenvolveram métodos inteligentes para montar esses segmentos em cromossomos individuais. Eles foram capazes de determinar quais genes foram herdados da mãe e do pai. Isso resolve um problema particularmente espinhoso conhecido como “falsa duplicação”, em que os cientistas rotulam erroneamente as cópias materna e paterna do mesmo gene como dois genes separados.

“Acho que este trabalho abre uma série de portas realmente importantes, já que os aspectos técnicos da montagem foram o gargalo para o sequenciamento do genoma no passado”, disse Jenny Tung, geneticista da Duke University, que não estava envolvida diretamente na investigação . Ter dados de sequenciamento de alta qualidade “transformará os tipos de perguntas que as pessoas podem fazer”, diz ele.

A precisão aprimorada da equipe mostra que as sequências do genoma acima estão seriamente incompletas. No tentilhão zebra, por exemplo, a equipe encontrou oito novos cromossomos e cerca de 900 genes que estavam faltando. Cromossomos anteriormente desconhecidos também apareceram no ornitorrinco, como membros da equipe relataram online em Natureza no início deste ano. Os pesquisadores também abriram e montaram corretamente longos trechos de DNA repetitivo, muitos dos quais contêm apenas duas das quatro letras genéticas. Esses trechos foram considerados por alguns cientistas como “lixo” não funcional ou “matéria escura”. Errado. Muitas das repetições ocorrem em regiões do genoma que codificam proteínas, diz Jarvis, sugerindo que o DNA desempenha um papel surpreendentemente crucial na ativação ou desativação de genes.

Isso é apenas o começo do que Natureza o artigo a imagina como “uma nova era de descobertas nas ciências da vida”. Com cada nova sequência de genoma, Jarvis e seus colaboradores descobrem novas descobertas, muitas vezes inesperadas. O laboratório de Jarvis, por exemplo, finalmente capturou a região reguladora de um gene chave que papagaios e pássaros canoros precisam para aprender melodias; então sua equipe tentará descobrir como funciona. O genoma do saguim produziu várias surpresas. Enquanto os genes do sagui e do cérebro humano são amplamente conservados, o sagui tem vários genes para aminoácidos patogênicos humanos. Isso destaca a necessidade de considerar o contexto genômico ao desenvolver modelos animais, relata a equipe em um artigo complementar em Natureza. E nas descobertas também publicadas no ano passado em Natureza, um grupo liderado pela professora Emma Teeling, da University College Dublin, na Irlanda, descobriu que alguns morcegos perderam genes relacionados à imunidade, o que poderia ajudar a explicar sua capacidade de tolerar vírus como o SARS-CoV-2, que causa COVID. -19.

As novas informações também podem impulsionar os esforços para salvar espécies raras. “É um dever moral extremamente importante ajudar as espécies que estão em extinção”, diz Jarvis. É por isso que a equipe coletou amostras de um papagaio kakapo chamado Jane, parte de um programa de reprodução em cativeiro que levou o papagaio à beira da extinção. Em um artigo publicado na nova revista Cell Genomics, da família de revistas Cell, Nicolas Dussex, da Universidade de Otago, e seus colegas descreveram seus estudos dos genes de Jane junto com outros indivíduos. O trabalho revelou que a última população sobrevivente de kakapo, isolada em uma ilha da Nova Zelândia nos últimos 10.000 anos, de alguma forma eliminou mutações deletérias, apesar da baixa diversidade genética da espécie. Uma descoberta semelhante foi observada para a vaquita, com cerca de 10-20 indivíduos deixados no planeta, em um estudo publicado na Molecular Ecology Resources, liderado por Phil Morin da Administração Nacional de Pesca Oceânica e Atmosférica em La Jolla, Califórnia. “Isso significa que há esperança de conservar a espécie”, conclui Jarvis.

Um caminho claro

O VGP agora está focado no sequenciamento de ainda mais espécies. A próxima meta da equipe do projeto é terminar 260 genomas, representando todas as ordens de vertebrados, e então levantar fundos suficientes para lidar com outros milhares, representando todas as famílias. Esse trabalho não será fácil e inevitavelmente trará novos desafios técnicos e logísticos, diz Tung. Uma vez que centenas ou mesmo milhares de animais que são facilmente encontrados em zoológicos ou laboratórios tenham sido sequenciados, os cientistas podem enfrentar obstáculos éticos na obtenção de amostras de outras espécies, especialmente quando os animais são raros ou estão em perigo de extinção.

Mas com o novo documento, o caminho à frente parece mais claro do que nos últimos anos. O modelo VGP está até inspirando outros grandes esforços de sequenciamento, incluindo o Earth Biogenome Project, que visa decodificar os genomas de todas as espécies eucarióticas em 10 anos. Talvez pela primeira vez, parece possível realizar o sonho compartilhado por Haussler e muitos outros de ler todas as letras do genoma de todos os organismos. Darwin viu a enorme diversidade da vida na Terra como “infinitamente muito mais formas bonitas”, observa Haussler. “Agora, temos uma oportunidade incrível de ver como essas formas surgiram.”