Quando uma mulher fica grávida, o desfecho dessa gravidez depende de muitos fatores — incluindo um evento crucial que ocorreu enquanto ela ainda estava se desenvolvendo no ventre de sua mãe. Isso depende da qualidade das células-ovo que já estavam se formando em seus ovários fetais. Os cromossomos que contêm DNA nessas células devem ser cortados, emendados e organizados de forma perfeita. Nos homens, o mesmo processo produz espermatozoides nos testículos, mas ocorre apenas após a puberdade.
“Se isso der errado, você acaba com o número errado de cromossomos nos óvulos ou espermatozoides”, disse Neil Hunter, professor do 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 reuniu a coreografia das proteínas que conectam pares de cromossomos correspondentes — garantindo que eles sejam classificados corretamente à medida que as células-ovo e os 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 em brotação — um organismo modelo que tem sido usado por décadas para descobrir como os processos celulares fundamentais funcionam.
“As estruturas cromossômicas que estudamos mudaram muito pouco ao longo da evolução”, disse Hunter. “Toda proteína que examinamos na levedura tem um correspondente direto nos humanos.” Suas descobertas podem aprimorar nossa compreensão sobre problemas de fertilidade e como eles são diagnosticados e tratados nos humanos.
Formando crossover de cromossomos para conexões fortes
Os humanos têm 46 cromossomos em cada uma de nossas células, compostos por 23 pares de cromossomos “homólogos” correspondentes, 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 rompem e se reúnem. Essas trocas de cromossomos, chamadas de “crossovers”, desempenham duas funções importantes.
Primeiro, elas ajudam a garantir que cada cromossomo que é passado para a prole contenha uma mistura única de genes de ambos os pais. Os crossovers também mantêm os cromossomos conectados em pares correspondentes. Essas conexões orientam a distribuição dos cromossomos quando as células se dividem para produzir óvulos e espermatozoides. Manter as conexões de crossover é especialmente crucial nas fêmeas, disse Hunter.
À medida que os cromossomos se emparelham nas células em desenvolvimento de óvulos ou espermatozoides, cadeias de DNA correspondentes são trocadas e entrelaçadas por uma curta distância para formar uma estrutura chamada “dupla junção de Holliday”. As cadeias de DNA dessa estrutura são então cortadas para juntar os cromossomos, formando um crossover.
Nos homens, as células imaturas do esperma em desenvolvimento imediatamente se dividem e distribuem cromossomos para o espermatozoide. Em contraste, as células-ovo em desenvolvimento no ovário fetal interrompem seu desenvolvimento após a formação de crossovers. As células-ovo imaturas podem permanecer em animação suspensa por décadas após o nascimento, até serem ativadas para passar pela ovulação.
Somente então o processo volta à ação: a célula-ovo finalmente se divide e os pares de cromossomos que estavam conectados por crossovers são finalmente separados para entregar um único conjunto de cromossomos ao óvulo maduro. “Manter as conexões de crossover ao longo de muitos anos é um grande desafio para as células-ovo imaturas”, disse Hunter.
Se os pares de cromossomos não estiverem conectados por pelo menos um crossover, eles podem perder contato entre si, como duas pessoas separadas em uma multidão agitada. Isso faz com que eles se segreguem incorretamente quando a célula finalmente se divide, produzindo células-ovo 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 deficiência cognitiva, defeitos cardíacos, perda auditiva e outros problemas.
De levedura a humanos
Hunter passou anos tentando entender como se formam os crossovers e como esse processo pode falhar e causar problemas reprodutivos. Ao estudar esse processo em leveduras, os pesquisadores podem visualizar diretamente os eventos moleculares da resolução de junções duplas de Holliday em populações sincronizadas de células.
Os pesquisadores identificaram dezenas de proteínas que se ligam e processam essas junções. Hunter e o então bolsista de pós-doutorado 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 às junções. Eles poderiam então analisar o DNA dessas células, para ver se as junções foram resolvidas e se formaram crossovers. Dessa forma, eles construíram uma imagem em que uma rede de proteínas funciona juntas para garantir que os crossovers sejam formados.
“Essa estratégia nos permitiu responder a uma pergunta que anteriormente não era possível”, disse Hunter.
Eles identificaram proteínas-chave, como a coesina, que impedem uma enzima chamada complexo STR (ou complexo Bloom nos humanos) de desmontar inadequadamente as junções antes que elas possam formar crossovers.
“Elas protegem a dupla junção 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 de Holliday duplas pode estar ligada a problemas de fertilidade nos humanos.
Além de Tang, o pós-doutorando, sete alunos de graduação da UC Davis College of Biological Sciences 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 Fundação de Preocupação pela Pesquisa do Câncer e da Fundação Damon Runyon para o Câncer.
A pesquisa de Hunter sobre crossover e recombinação homóloga utiliza instalações científicas avançadas no núcleo de proteômica da universidade, na instalação de imagens de microscopia de luz de MCB, no Centro do Genoma, no Programa de Biologia de Camundongos e no Centro de Câncer Abrangente.
