Abortos, síndrome de Down e infertilidade, tudo ligado a este processo de DNA oculto

“Se isso der errado, você acaba com o número errado de cromossomos nos ovos ou espermatozóides”, disse Neil Hunter, professor do Departamento de Microbiologia e Genética Molecular da Universidade da Califórnia, Davis. “Isso pode resultar em infertilidade, aborto ou nascimento de crianças com doenças genéticas”.

Em um artigo publicado em 24 de setembro no Journal NaturezaA equipe de Hunter relata uma grande descoberta sobre um processo que ajuda a proteger contra esses erros. Ele reuniu a coreografia de proteínas que conectam pares de cromossomos correspondentes – garantindo que sejam classificados corretamente à medida que as células de ovos e espermatozóides se desenvolvem e se dividem.

As descobertas de Hunter exigiam métodos para assistir aos eventos moleculares da recombinação cromossômica se desenrolarem com detalhes sem precedentes. Isso envolveu engenharia genética em leveduras em brotamento – um organismo modelo que tem sido usado há décadas para descobrir como os processos celulares fundamentais funcionam.

“As estruturas cromossômicas que estudamos mudaram muito pouco ao longo da evolução”, disse Hunter. “Todas as proteínas que olhamos em leveduras têm uma contraparte direta em humanos”. Suas descobertas podem melhorar nossa compreensão dos problemas de fertilidade e como eles são diagnosticados e tratados em humanos.

Formando cruzamentos cromossômicos para conexões fortes

Os seres humanos têm 46 cromossomos em cada uma de nossas células, compostas por 23 pares de cromossomos “homólogos”, com um de cada par herdado de cada pai. No início do processo de fabricação de espermatozóides ou ovos, esses pares de cromossomos se alinham e os cromossomos parentais se quebram e se juntam um ao outro. Essas trocas cromossômicas, chamadas “crossovers”, desempenham duas funções importantes.

Primeiro, eles ajudam a garantir que cada cromossomo que seja transmitido para a 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 ovos e esperma. Manter as conexões cruzadas é especialmente crucial nas mulheres, disse Hunter.

À medida que os cromossomos combinam no desenvolvimento de células de ovos ou espermatozóides, os fios de DNA correspondentes são trocados e entrelaçados a uma curta distância para formar uma estrutura chamada “Junction Double Holliday”. Os fios de DNA dessa estrutura são então cortados para se juntar aos cromossomos que formam um cruzamento.

Nos homens, o desenvolvimento de células espermáticas imaturas e depois divide e distribui os cromossomos aos espermatozóides. Por outro lado, as células de ovos que se desenvolvem no ovário fetal interrompem seu desenvolvimento após se formar os cruzamentos. As células imaturas de ovos podem permanecer em animação suspensa por décadas após o nascimento, até que sejam ativadas para passar por ovulação.

Somente então o processo volta ao movimento: a célula do ovo finalmente se divide e os pares de cromossomos que foram conectados por cruzamentos são finalmente separados para fornecer um único conjunto de cromossomos ao ovo maduro. “Manter as conexões cruzadas ao longo de muitos anos é um grande desafio para células imaturas de ovos”, disse Hunter.

Se os pares de cromossomos não estiverem conectados por pelo menos um crossover, eles podem perder contato um com o outro, como duas pessoas separadas em uma multidão. Isso faz com que eles segregem incorretamente quando a célula finalmente se divide, produzindo células de ovos com cromossomos extras ou ausentes. Isso pode causar infertilidade, aborto ou condições genéticas, como a síndrome de Down, na qual uma criança nasce com uma cópia extra do cromossomo 21, levando a comprometimento cognitivo, defeitos cardíacos, perda auditiva e outros problemas.

Do fermento para humanos

Hunter passou anos tentando entender como os crossovers 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 de junção de dois sextas-feiras em populações sincronizadas de células.

Os pesquisadores identificaram dezenas de proteínas que se ligam e processam essas junções. Hunter e então companheiro de pós-pós-doutorado Shangming Tang (agora professor assistente de bioquímica e genética molecular da Universidade da Virgínia) usou uma técnica chamada “genética em tempo real” para investigar a função dessas proteínas. Com esse método, eles fizeram as células degradarem uma ou mais proteínas específicas nas estruturas associadas à junção. Eles poderiam então analisar o DNA dessas células, para ver se as junções foram resolvidas e se formaram cruzamentos. Dessa forma, eles criaram uma imagem na qual uma rede de proteínas funcionam juntas para garantir que os cruzamentos sejam formados.

“Essa estratégia nos permitiu responder a uma pergunta que antes não era possível”, disse Hunter.

Eles identificaram proteínas -chave como a coesina que impedem uma enzima chamada complexo STR (ou complexo de flores em humanos) de desmantelar inadequadamente as junções antes que possam formar cruzamentos.

“Eles protegem o cruzamento duplo de Holliday”, disse Hunter. “Essa é uma descoberta importante.”

Este projeto de pesquisa deste ano em leveduras é amplamente relevante para a reprodução humana, porque o processo mudou muito pouco durante a evolução. A falha em proteger as junções duplas-sexta-feira pode estar ligada a problemas de fertilidade em humanos.

Além de Tang, o PostDOC, sete estudantes de graduação na 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 no artigo incluem Sara Hariri, Regina Bohn e John E. McCarthy, todos os membros do Hunter Lab.

A pesquisa de Hunter é financiada pelos Institutos Nacionais de Saúde e pelo Instituto Médico Howard Hughes. Seu trabalho também recebeu financiamento do UC Davis Comprehensive Cancer Center, da American Cancer Society, da preocupação da Fundação para a Pesquisa do Câncer e da Damon Runyon Cancer Foundation.

A pesquisa de Hunter sobre recombinação crossover e homóloga utiliza instalações científicas avançadas nas instalações principais proteômicas da universidade, instalações de imagem de microscopia de luz MCB, centro de genoma, programa de biologia de camundongos e centro abrangente de câncer.