Francis Collins, M.D., Ph.D.
O laboratório do Dr. Collins procura identificar e compreender a função dos genes envolvidos numa série de doenças humanas, tanto raras como comuns, com o objectivo final de identificar novas oportunidades terapêuticas.
Um dos projectos significativos do laboratório centra-se na síndrome da progeria Hutchinson-Gilford (HGPS), uma doença genética rara caracterizada pelo envelhecimento prematuro. Os pacientes com HGPS normalmente morrem de complicações cardiovasculares na adolescência. O grupo do Dr. Collins descobriu que uma mutação pontual no gene da lamina A (LMNA) ativa um doador de emenda críptica, resultando no encurtamento da versão normal da proteína codificada por 50 aminoácidos perto do C-terminus – esta proteína foi chamada de “progerina”. Eles também descobriram que o HGPS está associado a mudanças significativas na forma do núcleo, estes defeitos estruturais pioram à medida que as células do HGPS envelhecem em cultura, e a introdução da progerina nas células normais induz as mesmas mudanças. A análise biológica celular implica a progerina em interromper o processo normal de mitose. A investigação de fibroblastos humanos normais demonstrou que pequenas quantidades de progerina estão presentes em populações de células normais, e aumentam em quantidade à medida que as células se aproximam da senescência. A mudança no padrão de emenda do LMNA para produzir progerina é aparentemente desencadeada por telômeros encurtados. Assim, o estudo desta doença rara dá uma visão valiosa do processo de envelhecimento normal.
A proteína lamina A é normalmente farnesilada no seu termo C, o que aparentemente ajuda a direcionar a prelamina para a superfície interna da membrana nuclear. Uma clivagem protease subsequente libera este fragmento terminal C, permitindo que a lamina A se una a outras proteínas no andaime que se encontra logo abaixo da membrana nuclear. A progerina é corretamente farnesilada, mas não pode ser clivada, tornando-a permanentemente ancorada na membrana nuclear, seqüestrando outras proteínas e funcionando como um negativo dominante. Estas observações levaram à hipótese de que os inibidores de farnesiltransferase (FTIs) poderiam ser benéficos no tratamento da progeria, e experimentos de cultura celular mostraram que os FTIs poderiam melhorar significativamente as anormalidades de forma nuclear observadas nas células do HGPS.
Como a maioria dos pacientes com progeria estão em saúde extremamente frágil, há poucas oportunidades para conduzir experimentos em humanos de potenciais terapias. O grupo do Dr. Collins desenvolveu um modelo animal de progeria através da reengenharia do LMNA humano para transportar a mutação do HGPS, e inserindo-a na linha germinal de um rato. O rato demonstra uma doença cardiovascular progressiva que se assemelha muito à doença observada em pacientes com HGPS. Especificamente, estes ratos exibem perda progressiva de células musculares lisas vasculares nos meios das suas grandes artérias. Usando o modelo de camundongo como um recurso para triagem de potenciais terapias, o laboratório Collins demonstrou que o tratamento com FTI não só preveniu o aparecimento de doenças cardiovasculares em camundongos jovens, mas também reduziu a progressão dos defeitos cardiovasculares no tratamento de camundongos mais velhos. Esta pesquisa complementou outros dados em apoio a um ensaio clínico que administra FTIs a pacientes com HGPS, o que recentemente demonstrou resultar na melhoria do estado cardiovascular.
Outros trabalhos recentes no projecto HGPS incluem a descoberta de que a rapamicina pode ser benéfica ao estimular a remoção autofágica de complexos de progerina. O laboratório também está empenhado num esforço a longo prazo para gerar um rato que não possa produzir progerina de todo, a fim de determinar se a ausência resulta em aumento da longevidade. O outro grande projecto no laboratório Collins é a condição complexa, comum e não-mendeliana conhecida como diabetes tipo 2 (T2D). Em cooperação de longo prazo com pesquisadores do Instituto Nacional de Saúde Pública da Finlândia, da Universidade de Michigan, da Universidade do Sul da Califórnia e da Universidade da Carolina do Norte, conhecida como o projeto FUSION, o Dr. Collins e seus colaboradores estão estudando mais de 30.000 indivíduos para identificar fatores de suscetibilidade para o T2D. O projeto FUSION começou com estudos de ligação de pares de irmãos afetados, e depois passou a realizar estudos de associação de genomas (GWAS), e posteriormente tornou-se parte integrante de vários consórcios GWAS mundiais que estudam o T2D e traços quantitativos. Até hoje, esses consórcios identificaram mais de 80 loci de susceptibilidade para T2D e centenas de loci que afetam a glicose, IMC e traços quantitativos lipídicos.
Muitas dessas variantes estão associadas à secreção ou processamento de insulina deficiente, e a grande maioria reside em porções não codificantes do genoma. Estes dados sugerem que a função regulatória alterada na ilhota pancreática pode desempenhar um papel importante na fisiopatologia T2D. Usando a tecnologia ChIP-seq, o laboratório Collins definiu as principais características do epigenoma da ilhota humana, identificando elementos reguladores que são necessários para a função normal da ilhota. De grande interesse, os alelos de susceptibilidade T2D identificados pelo GWAS encontram-se preferencialmente em melhoradores específicos de ilhotas, particularmente em melhoradores multikilobase específicos de tecidos que o laboratório chamou de “melhoradores de elasticidade”.
Um novo projeto importante do estudo FUSION é analisar genótipos (por sequenciamento de genoma inteiro), metilação de DNA (por sequenciamento de bissulfito), expressão gênica (por RNA-seq), e fenótipos em mais de 300 indivíduos com uma gama de estados metabólicos, dos quais biópsias musculares e adiposas foram obtidas. Caracterizar todo o repertório de elementos genômicos funcionais humanos em ilhotas, músculos e adipose deve fornecer uma visão crítica sobre os mecanismos moleculares envolvidos na suscetibilidade ao diabetes.