Abortos espontâneos, síndrome de Down e infertilidade todos ligados a esse processo oculto de DNA.
Quando uma mulher engravida, o resultado dessa gravidez depende de muitos fatores, incluindo um evento crucial que ocorreu enquanto ela ainda estava se desenvolvendo no útero da mãe. Depende da qualidade dos óvulos que já estavam se formando nos ovários fetais. Os cromossomos que contêm o DNA nessas células devem ser cortados, emendados e organizados perfeitamente. Nos homens, o mesmo processo produz espermatozoides nos testículos, mas ocorre apenas após a puberdade.
“Se isso dá errado, você acaba com um número incorreto de cromossomos nos óvulos ou espermatozoides”, disse Neil Hunter, professor no Departamento de Microbiologia e Genética Molecular da Universidade da Califórnia, Davis. “Isso pode resultar em infertilidade, aborto espontâneo ou no nascimento de crianças com doenças genéticas.”
Em um artigo publicado em 24 de setembro na revista Nature, a equipe de Hunter relata uma nova descoberta importante sobre um processo que ajuda a proteger contra esses erros. Ele montou a coreografia das proteínas que conectam pares de cromossomos correspondentes, garantindo que eles sejam organizados corretamente à medida que as células nervosas e espermatozoides se desenvolvem e se dividem.
As descobertas de Hunter exigiram métodos para observar os eventos moleculares da recombinação cromossômica se desenrolarem com detalhes sem precedentes. Isso envolveu engenharia genética em leveduras brotantes – um organismo modelo que tem sido usado por décadas para descobrir como funcionam os processos celulares fundamentais.
“As estruturas cromossômicas que estudamos mudaram muito pouco através da evolução”, disse Hunter. “Todas as proteínas que investigamos na levedura têm um correspondente direto em humanos.” Suas descobertas podem melhorar nossa compreensão dos problemas de fertilidade e de como eles são diagnosticados e tratados em humanos.
Formando cruzamentos de cromossomos para conexões fortes
Os humanos têm 46 cromossomos em cada uma de nossas células, compostos por 23 pares de cromossomos “homólogos”, com um de cada par herdado de cada pai. No início do processo de formação de espermatozoides ou óvulos, esses pares de cromossomos se alinham, e os cromossomos parentais se quebram e se rejoem entre si. Essas trocas de cromossomos, chamadas “cruzamentos”, servem a duas funções importantes.
Primeiro, ajudam a garantir que cada cromossomo que é passado para a descendência contenha uma mistura única de genes de ambos os pais. Os cruzamentos também mantêm os cromossomos conectados em pares correspondentes. Essas conexões orientam a distribuição de cromossomos quando as células se dividem para produzir óvulos e espermatozoides. Manter as conexões de cruzamento é especialmente crucial nas mulheres, disse Hunter.
À medida que os cromossomos se emparelham nas células que estão se desenvolvendo para se tornarem óvulos ou espermatozoides, fitas de DNA correspondentes são trocadas e entrelaçadas a uma curta distância para formar uma estrutura chamada de “dupla junção de Holliday”. As fitas de DNA dessa estrutura são então cortadas para unir os cromossomos, formando um cruzamento.
Nos homens, as células imunológicas em desenvolvimento imediatamente se dividem e distribuem os cromossomos para o esperma. Em contraste, os óvulos em desenvolvimento no ovário fetal interrompem seu desenvolvimento após os cruzamentos terem se formado. As células imaturas do óvulo podem permanecer em animação suspensa por décadas após o nascimento, até que sejam ativadas para passar pela ovulação.
Apenas então o processo retoma seu curso: a célula do óvulo finalmente se divide, e os pares de cromossomos que estavam conectados por cruzamentos são finalmente separados para entregar um único conjunto de cromossomos ao óvulo maduro. “Manter as conexões de cruzamento por muitos anos é um grande desafio para as células imaturas do óvulo”, disse Hunter.
Se os pares de cromossomos não estiverem conectados por pelo menos um cruzamento, eles podem perder contato um com o outro, como duas pessoas separadas em uma multidão agitada. Isso faz com que eles se segreguem incorretamente quando a célula finalmente se divide, produzindo óvulos com cromossomos a mais ou a menos. Isso pode causar infertilidade, aborto espontâneo ou condições genéticas como a síndrome de Down, na qual uma criança nasce com uma cópia extra do cromossomo 21, levando a deficiências cognitivas, defeitos cardíacos, perda auditiva e outros problemas.
De levedura a humanos
Hunter passou anos tentando entender como os cruzamentos se formam e como esse processo pode falhar e causar problemas reprodutivos. Ao estudar esse processo em levedura, os pesquisadores podem visualizar diretamente os eventos moleculares da resolução de junção dupla de Holliday em populações de células sincronizadas.
Os pesquisadores identificaram dezenas de proteínas que se ligam e processam essas junções. Hunter e o então pós-doutorando Shangming Tang (agora professor assistente de bioquímica e genética molecular na Universidade da Virgínia) usaram uma técnica chamada “genética em tempo real” para investigar a função dessas proteínas. Com esse método, eles fizeram células degradarem uma ou mais proteínas específicas dentro das estruturas associadas à junção. Eles podiam então analisar o DNA dessas células para ver se as junções foram resolvidas e se formaram cruzamentos. Dessa forma, construíram uma imagem em que uma rede de proteínas funciona em conjunto para garantir que os cruzamentos sejam formados.
“Essa estratégia nos permitiu responder a uma pergunta que anteriormente não era possível”, disse Hunter.
Identificaram proteínas-chave como a coesina que impedem uma enzima chamada complexo STR (ou complexo Bloom em humanos) de desmontar inadequadamente as junções antes que possam formar cruzamentos.
“Elas protegem a junção dupla de Holliday”, disse Hunter. “Essa é uma descoberta chave.”
Este projeto de pesquisa de anos em levedura é amplamente relevante para a reprodução humana porque o processo mudou muito pouco durante a evolução. A falha em proteger as junções duplas de Holliday pode estar ligada a problemas de fertilidade em humanos.
Além de Tang, o pós-doutorando, sete graduandos da Faculdade de Ciências Biológicas da UC Davis contribuíram para este trabalho, incluindo Jennifer Koo, Mohammad Pourhosseinzadeh, Emerald Nguyen, Natalie Liu, Christopher Ma, Hanyu Lu e Monica Lee.
Os autores adicionais do artigo incluem Sara Hariri, Regina Bohn e John E. McCarthy, todos membros do laboratório de Hunter.
A pesquisa de Hunter é financiada pelos Institutos Nacionais de Saúde e pelo Instituto Médico Howard Hughes. Seu trabalho também recebeu financiamento do Centro de Câncer da UC Davis, da Sociedade Americana do Câncer, da Concern Foundation for Cancer Research e da Damon Runyon Cancer Foundation.
A pesquisa de Hunter sobre cruzamentos e recombinação homóloga utiliza instalações científicas avançadas no Centro de Proteômica da universidade, na Instalação de Microscopia de Luz MCB, no Centro Genoma, no Programa de Biologia de Camundongos e no Centro Compreensivo de Câncer.
