Esperma e óvulos cultivados em laboratório: redefinição “epigenética” nas células humanas abre o caminho

O dia em que o esperma¹ e os óvulos humanos poderão ser cultivados em laboratório está cada vez mais próximo, com a descoberta de uma forma de recriar um passo crucial do desenvolvimento em uma placa² de petri.

O avanço, descrito na revista Nature, aborda um grande obstáculo: como garantir que as etiquetas (ou tags) químicas no DNA e nas proteínas³ associadas nos espermatozoides⁴ e óvulos produzidos artificialmente são colocadas corretamente. Estas etiquetas fazem parte do “epigenoma” de uma célula⁵ e podem influenciar se os genes estão ligados ou desligados. O epigenoma muda ao longo da vida de uma pessoa; durante o desenvolvimento das células⁶ que eventualmente darão origem aos espermatozoides⁴ ou óvulos, essas marcas devem ser limpas e depois redefinidas ao seu estado original.

“A reprogramação epigenética é fundamental para formar a próxima geração”, afirma Mitinori Saitou, biólogo de células-tronco⁷ da Universidade de Quioto, no Japão, e co-autor do artigo. Ele e sua equipe descobriram como ativar essa reprogramação – algo que tem sido um dos maiores desafios na geração de espermatozoides⁴ e óvulos humanos em laboratório, diz ele.

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Mas Saitou é rápido em notar que ainda há mais passos a serem conquistados e que a reprogramação epigenética que o seu laboratório conseguiu não é perfeita.

“Ainda há muito trabalho a ser feito e é necessário um tempo considerável para enfrentar estes desafios”, concorda Fan Guo, epigeneticista reprodutivo do Instituto de Zoologia da Academia Chinesa de Ciências, em Pequim.

O cultivo de espermatozoides⁴ e óvulos humanos em laboratório ofereceria esperança a alguns casais que lutam contra a infertilidade⁸. Também proporcionaria uma maneira de editar sequências de DNA causadoras de doenças em espermatozoides⁴ e óvulos, evitando algumas das complicações técnicas de fazer tais edições em embriões. E compreender como os óvulos e os espermatozoides⁴ se desenvolvem pode dar aos pesquisadores informações sobre algumas causas da infertilidade⁸.

Mas, além da sua dificuldade técnica, o cultivo de óvulos e espermatozoides⁴ em uma placa² – chamado gametogênese in vitro – acarretaria pesadas questões sociais e éticas. A modificação genética para prevenir doenças, por exemplo, poderia levar ao melhoramento genético para aumentar as características associadas à inteligência ou ao atletismo.

A reprogramação epigenética é a chave para a formação de células⁶ reprodutivas – sem ela, as células⁶ primordiais que eventualmente dariam origem aos espermatozoides⁴ e aos óvulos param de se desenvolver. Além disso, o epigenoma afeta a atividade genética, ajudando as células⁶ com sequências de DNA idênticas a assumirem identidades únicas. O epigenoma ajuda a diferenciar uma célula⁵ cerebral, por exemplo, de uma célula⁵ do fígado⁹.

Os pesquisadores sabem como cultivar óvulos e espermatozoides⁴ de camundongos usando células⁶ semelhantes a células-tronco⁷ geradas a partir da pele¹⁰. Mas os protocolos utilizados não funcionam em células⁶ humanas: “Há uma grande lacuna entre os camundongos e os humanos”, diz Saitou.

Assim, Saitou e seus colegas iniciaram uma árdua busca por uma forma de controlar a reprogramação epigenética em células⁶ humanas. Eles descobriram que uma proteína chamada BMP2 era essencial para esta etapa e que adicioná-la às suas culturas promovia a reprogramação epigenética. As células cultivadas¹¹ nesta cultura foram capazes de progredir um passo adicional no seu desenvolvimento do que as células⁶ em culturas sem adição de BMP2.

Após a reprogramação epigenética, o desenvolvimento das células⁶ foi novamente interrompido. Mesmo assim, cada passo em direção à gametogênese in vitro tem “um significado imenso”, diz Guo. Saitou e seus colegas estão agora procurando maneiras de empurrar as células⁶ ainda mais no caminho para se tornarem espermatozoides⁴ e óvulos.

Os pesquisadores analisaram cuidadosamente as marcas epigenéticas nas suas células cultivadas¹¹ em laboratório e descobriram que, embora muitas destas impressões tenham sido apagadas, algumas permaneceram. Isto significa que a reprogramação pode ser incompleta – o que poderia ter consequências graves se tais células⁶ fossem utilizadas para reprodução¹². “Se a impressão em apenas um gene for aberrante, isso pode levar a doenças”, diz Saitou.

É importante ter em mente tais advertências, diz ele: o campo da gametogênese in vitro está avançando rapidamente, e estes resultados, juntamente com outros desenvolvimentos nos últimos anos, podem alimentar especulações e falsas alegações de que uma solução está ao virar da esquina. “Acho que em cerca de cinco anos as coisas ficarão mais resolvidas”, diz ele. “E então apenas a boa ciência permanecerá.”

Saiba mais sobre "Conceitos ligados à reprodução¹² humana", "Como acontece a espermatogênese" e "Ovulação¹³".

Confira a seguir o resumo do artigo publicado.

Reconstituição in vitro da reprogramação epigenética na linhagem germinativa humana

A reprogramação epigenética redefine as memórias epigenéticas parentais e diferencia as células germinativas¹⁴ primordiais (CGPs) em pró-espermatogônias ou oogônias mitóticas, garantindo o desenvolvimento de células germinativas¹⁴ sexualmente dimórficas para a totipotência. A reconstituição in vitro da reprogramação epigenética em humanos continua a ser um desafio fundamental.

Neste estudo, estabeleceu-se uma estratégia robusta para induzir a reprogramação epigenética e a diferenciação de células⁶ semelhantes a CGPs humanas (CSCGPhs) derivadas de células-tronco⁷ pluripotentes (CTP) em pró-espermatogônias ou oogônias mitóticas, juntamente com sua extensa amplificação (~ >10¹⁰ vezes).

Surpreendentemente, a sinalização da proteína morfogenética óssea (BMP) é um impulsionador chave desses processos: a diferenciação da CSCGPh conduzida por BMP envolve uma atenuação da via da proteína quinase ativada por mitógeno/quinase regulada por sinal¹⁵ extracelular (MAPK/ERK) e atividades tanto novas quanto de manutenção da DNA metiltransferase (DNMT), provavelmente promovendo a desmetilação passiva do DNA acoplada à replicação.

Por outro lado, CSCGPhs deficientes em translocação¹⁶ dez-onze (TET) 1, uma DNA desmetilase ativa abundante em células germinativas¹⁴ humanas, diferenciam-se em células⁶ extraembrionárias, incluindo âmnio, com desrepressão de genes-chave contendo promotores bivalentes; essas células⁶ não conseguem ativar totalmente genes vitais para a espermatogênese e a oogênese, com seus promotores permanecendo metilados.

Esse estudo elucida a estrutura da reprogramação epigenética em humanos, fazendo um avanço fundamental na biologia humana e, por meio da geração de pró-espermatogônias e células⁶ semelhantes a oogônias mitóticas abundantes, representa um marco para a pesquisa da gametogênese in vitro (GIV) humana e sua potencial tradução em medicina reprodutiva.

Veja também sobre "Edição genética", "Reprodução¹² assistida" e "Células-tronco⁷".

Fontes:
Nature, publicação em 20 de maio de 2024.
Nature, notícia publicada em 21 de maio de 2024.