Quando uma mulher engravida, o resultado dessa gestação depende de diversos fatores, incluindo um evento crucial que ocorreu enquanto ela ainda estava se desenvolvendo no útero de sua própria mãe. Isso se relaciona à qualidade dos óvulos que já estavam se formando dentro de seus ovários fetais. Os cromossomos que contêm o DNA nessas células devem ser cortados, ligados e organizados de forma impecável. Nos homens, o mesmo processo ocorre nos testículos, mas acontece apenas após a puberdade.
“Se algo der errado, você pode acabar 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 no dia 24 de setembro na revista Nature, a equipe de Hunter relata uma nova descoberta significativa sobre um processo que ajuda a proteger contra esses erros. Ele reuniu as interações de proteínas que conectam pares de cromossomos correspondentes — garantindo que eles sejam organizados corretamente à medida que as células-ovo e esperma se desenvolvem e se dividem.
As descobertas de Hunter exigiram métodos para observar os eventos moleculares da recombinação dos cromossomos com um detalhamento sem precedentes. Isso envolveu engenharia genética em leveduras em brotamento — um organismo modelo que tem sido utilizado há décadas para descobrir como processos celulares fundamentais funcionam.
“As estruturas cromossômicas que estudamos mudaram muito pouco ao longo da evolução,” disse Hunter. “Todas as proteínas que observamos na levedura têm um correspondente direto nos humanos.” Suas descobertas podem aprimorar nossa compreensão dos problemas de fertilidade e de como são diagnosticados e tratados em humanos.
Formação de cruzamentos cromossômicos para fortes conexões
Os humanos possuem 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 quebram e se reconectam. Essas trocas de cromossomos, chamadas de “cruzamentos”, desempenham duas funções importantes.
Primeiro, ajudam a garantir que cada cromossomo que é transmitido à prole 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 dos cromossomos quando as células se dividem para produzir óvulos e espermatozoides. Manter as conexões dos cruzamentos é especialmente crucial nas fêmeas, afirmou Hunter.
À medida que os cromossomos se emparelham nas células em desenvolvimento de óvulos ou espermatozoides, as fitas de DNA correspondentes são trocadas e entrelaçadas a uma curta distância para formar uma estrutura chamada “dupla junção de Holliday.” As fitas de DNA dessa estrutura são então cortadas para unir os cromossomos, formando um cruzamento.
Nos homens, as células imaturas em desenvolvimento logo se dividem e distribuem os cromossomos para os espermatozoides. Em contraste, as células óvulo em desenvolvimento no ovário fetal interrompem seu desenvolvimento após a formação dos cruzamentos. Essas células óvulo imaturas podem permanecer em animação suspensa por décadas após o nascimento, até serem ativadas para passar pelo processo de ovulação.
Somente então o processo volta a avançar: a célula óvulo finalmente se divide, e os pares de cromossomos conectados por cruzamentos são finalmente separados para fornecer um único conjunto de cromossomos ao óvulo maduro. “Manter as conexões dos cruzamentos ao longo de muitos anos é um grande desafio para as células óvulo imaturas,” disse Hunter.
Se os pares de cromossomos não estiverem conectados por pelo menos um cruzamento, eles podem perder o contato entre si, como duas pessoas separadas em uma multidão agitada. Isso provoca uma segregação incorreta quando a célula finalmente se divide, resultando em células óvulo 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, problemas cardíacos, perda auditiva e outros transtornos.
Da levedura aos 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 leveduras, os pesquisadores podem visualizar diretamente os eventos moleculares da resolução das junções de dupla 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) utilizaram uma técnica chamada “genética em tempo real” para investigar a função dessas proteínas. Com este método, fizeram com que as células degradassem uma ou mais proteínas específicas dentro das estruturas associadas às junções. Eles então puderam analisar o DNA dessas células para verificar se as junções foram resolvidas e se formaram cruzamentos. Dessa forma, construíram uma imagem em que uma rede de proteínas atua em conjunto para garantir a formação de cruzamentos.
“Essa estratégia nos permitiu responder a uma questão que antes não era possível,” disse Hunter.
Eles identificaram proteínas-chave como a cohesina que previnem uma enzima chamada complexo STR (ou complexo Bloom em humanos) de desmontar inapropriadamente as junções antes que possam formar cruzamentos.
“Elas protegem a dupla junção de Holliday,” disse Hunter. “Essa é uma descoberta fundamental.”
Esse projeto de pesquisa de vários anos em leveduras é amplamente relevante para a reprodução humana, já que o processo mudou muito pouco ao longo da evolução. A falha em proteger as junções de dupla Holliday pode estar ligada a problemas de fertilidade em humanos.
Além de Tang, o pós-doutorando, sete alunos de graduação 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.
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 pelo Instituto Nacional de Saúde e pelo Instituto Médico Howard Hughes. Seu trabalho também recebeu recursos do Centro de Câncer da UC Davis, da Sociedade Americana do Câncer, da Fundação Concern para Pesquisa do Câncer e da Fundação Damon Runyon para Câncer.
A pesquisa de Hunter sobre cruzamentos e recombinação homóloga utiliza instalações científicas avançadas no núcleo de proteômica da universidade, no centro de microscopia de luz MCB, no Centro Genômico, no Programa de Biologia de Camundongos e no Centro de Câncer Compreensivo.
