Huge epigenomic map examines life’s impact on our genes (New Scientist)

18 February 2015 by Catherine Brahic

Magazine issue 3009.

THE nature versus nurture debate is getting a facelift this week, with the publication of a genetic map that promises to tell us which bits of us are set in stone by our DNA, and which bits we can affect by how we live our lives.

The new “epigenomic” map doesn’t just look at genes, but also the instructions that govern them. Compiled by a consortium of biologists and computer scientists, this information will allow doctors to pinpoint precisely which cells in the body are responsible for various diseases. It might also reveal how to adjust your lifestyle to counter a genetic predisposition to a particular disease.

“The epigenome is the additional information our cells have on top of genetic information,” says lead researcher Manolis Kellis of the Massachusetts Institute of Technology. It is made of chemical tags that are attached to DNA and its packaging. These tags act like genetic controllers, influencing whether a gene is switched on or off, and play an instrumental role in shaping our bodies and disease.

Researchers are still figuring out exactly how and when epigenetic tags are added to our DNA, but the process appears to depend on environmental cues. We inherit some tags from our parents, but what a mother eats during pregnancy, for instance, might also change her baby’s epigenome. Others tags relate to the environment we are exposed to as children and adults. “The epigenome sits in a very special place between nature and nurture,” says Kellis.

Each cell type in our body has a different epigenome – in fact, the DNA tags are the reason why our cells come in such different shapes and sizes despite having exactly the same DNA. So for its map, the Roadmap Epigenomics Consortium collected thousands of cells from different adult and embryonic tissues, and meticulously analysed all the tags.

So far, they have produced 127 epigenomes, each corresponding to a different cell type, from brain cells to skin cells. That’s a big advance on the 16 published in 2012 by the ENCODE project, which are included in the new map.

The consortium also cross-referenced these healthy epigenomes with previous data on the genetic components of dozens of diseases, including type 1 diabetes, Crohn’s disease, high blood pressure, inflammatory bowel disease and Alzheimer’s disease (see “Alzheimer’s epigenetics“).

The results, says Kellis, allow doctors to see what cell types are likely to be disrupted in people with these conditions. For instance, they suggest disruptions in the epigenome of the brain’s cingulate gyrus cells may play a role in attention deficit hyperactivity disorder (Nature, DOI: 10.1038/nature14248).

Richard Meehan of the University of Edinburgh, UK, says the work offers “incredibly valuable information which will be absorbed and debated for years to come”. He suggests that one day doctors will look at your epigenomes during routine health checks to suss out how the nature versus nurture battle is playing out inside your cells. These scans would reveal your genetic predisposition to certain conditions, and how your lifestyle is affecting those risks.

By adjusting your choices accordingly, you will be able to delay disease, or minimise its effects for as long as possible. “It’s not going to move any further forward the point at which your life ends, but make the years up to that point – years that are spent in physical decline – a whole lot better,” says Meehan.

“You see this on Star Trek,” he adds. “Nobody lives any longer but they just seem to be healthier up to the point where life, unfortunately, passes away.”

Alzheimer’s epigenetics

While you can’t change the genes you were born with, you might be able to alter your epigenome – and its influence on your health – through tinkering with your lifestyle.

Studying cells from people with Alzheimer’s and a mouse version of the disease highlights both immune cells and brain cells as key players. This finding supports other studies suggesting that an immune disorder is at least partially responsible for Alzheimer’s.

Manolis Kellis and his team at MIT (see main story) were able to identify both genetic and non-genetic effects. While the immune disruptions were coded in the cells’ genetics, the changes in the brain cells appeared to be influenced by environmental inputs like diet, education, physical activity and age, and are probably associated with epigenetic changes (Nature, DOI: 10.1038/nature14252).

“We have an interplay between genetics and epigenetics,” says Kellis. “You might not be able to do anything about the genetic but you might be able to do something about the epigenomic by – I don’t know – maybe reading more books.”

*   *   *

Cientistas publicam o primeiro atlas do epigenoma humano (O Globo)

Dados sobre processos que afetam células, responsáveis por sua diferenciação em 111 dos tecidos do corpo, podem ajudar na melhor compreensão de diversas doenças e no desenvolvimento de novos tratamentos para elas

POR CESAR BAIMA


No alvo: epigenoma abre caminho para novas abordagens no tratamento e cura de várias doenças
Foto: Alamy/Latinstock

No alvo: epigenoma abre caminho para novas abordagens no tratamento e cura de várias doenças – Alamy/Latinstock

RIO – Sequenciado completamente pela primeira vez há pouco mais de uma década, o genoma humano, com suas cerca de 3 bilhões de “letras”, guarda todas as informações necessárias para “construir” uma pessoa. Mas, apesar de quase todas nossas células terem o mesmo DNA, elas podem, e devem, ser muito diferentes umas das outras para que o corpo funcione bem. Afinal, os neurônios do cérebro cumprem trabalhos bem distintos do das células do músculo cardíaco, que por sua vez não poderiam fazer o que fazem as do fígado.

É a conhecida diferenciação celular, e para que isso aconteça é preciso controlar quais genes serão ativados e quais permanecerão dormentes nas células. E é aí que entra em cena o chamado epigenoma, nome dado ao conjunto de processos e reações químicas que regulam esta expressão genética. Ele teve seu primeiro atlas de ação em 111 tecidos que compõem o feto e o organismo humano publicado ontem na edição desta semana da revista “Nature”, junto com mais de 20 artigos neste e outros periódicos científicos abordando seus mecanismos e possíveis relações com doenças e condições como asma, câncer, problemas cardíacos e Alzheimer.

COMO PREENCHER UM ‘MAPA-MÚNDI’ EM BRANCO

Isso porque, mesmo não alterando diretamente o DNA, o epigenoma tem grande importância na maneira como nossas células funcionam e pode ser influenciado por fatores ambientais e hábitos individuais, como a poluição e o tabagismo. Em alguns casos, inclusive, sua atuação pode até mesmo ser hereditária, ajudando a responder o mistério do que é fruto da natureza e o que é resultado da criação — cuja resposta, muitas vezes, deverá ser “ambos”. Segundo os pesquisadores, é como se o genoma fosse um mapa-múndi em branco ao qual o estudo do epigenoma agora acrescenta os nomes dos países, estados e cidades, suas rodovias e ferrovias e a localização de portos e aeroportos, tornando-o muito mais útil.

— Hoje, podemos sequenciar o genoma humano de forma rápida e barata, mas interpretar este genoma ainda é um desafio — lembra Bing Ren, professor da Universidade da Califórnia em San Diego e coautor de diversos dos artigos relacionados ao projeto de mapeamento do epigenoma. — Estes 111 mapas de referência do epigenoma são essencialmente um livro de vocabulário que nos ajuda a decifrar cada segmento do DNA em células distintas e tipos de tecido. Estes mapas são como retratos do genoma humano em ação.

Diante disso, ainda durante o projeto — no qual o Instituto Nacional de Saúde dos EUA (NIH) investiu US$ 300 milhões desde 2006 numa colaboração de centenas de cientistas de dezenas de instituições espalhadas pelo mundo —, diversos pesquisadores começaram a buscar na interação entre genoma e epigenoma possíveis fatores que levam ao desenvolvimento de doenças, abrindo caminho para novas abordagens na busca de tratamentos ou cura.

— As células do fígado e do cérebro usam diferentes pedaços do DNA para produzir um repertório distinto de proteínas dependendo de como os marcadores epigenéticos foram introduzidos em cada célula durante o desenvolvimento embrionário — destaca Steven Jones, professor da Universidade Simon Fraser, no Canadá e outro dos participantes no projeto. — E estes marcadores podem mudar ao longo da vida em resposta a fatores ambientais. De fato, mudanças nos padrões epigenéticos originais de uma célula já foram associadas a diversas doenças humanas, incluindo câncer e Alzheimer.

Leia mais sobre esse assunto em  http://oglobo.globo.com/sociedade/ciencia/cientistas-publicam-primeiro-atlas-do-epigenoma-humano-15375408#ixzz3SDJ9Lxy7
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