“Se algo der errado, você pode acabar com o número incorreto de cromossomos nos óvulos ou espermatozoides”, disse Neil Hunter, professor do Departamento de Microbiologia e Genética Molecular da Universidade da Califórnia, Davis. “Isso pode levar à infertilidade, abortos espontâneos ou ao 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 significativa sobre um processo que ajuda a evitar esses erros. Ele conseguiu desvendar a coreografia das proteínas que conectam pares de cromossomos correspondentes, assegurando que eles sejam organizados corretamente à medida que os óvulos e espermatozoides se desenvolvem e se dividem.

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

“As estruturas cromossômicas que estudamos mudaram muito pouco ao longo da evolução”, disse Hunter. “Cada proteína que examinamos na levedura tem um equivalente direto nos humanos.” Suas descobertas podem melhorar nossa compreensão dos problemas de fertilidade e de como eles são diagnosticados e tratados em humanos.

Formação de cruzamentos cromossômicos para conexões robustas

Os seres 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 produção de esperma ou óvulos, esses pares de cromossomos se alinham, e os cromossomos parentais se quebram e se reúnem. Essas trocas de cromossomos, chamadas de “cruzamentos”, servem a duas funções importantes.

Primeiro, elas 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 de cruzamento é especialmente crucial nas fêmeas, disse Hunter.

À medida que os cromossomos se emparelham nas células em desenvolvimento, cadeias de DNA correspondentes são trocadas e entrelaçadas a uma curta distância para formar uma estrutura chamada “dupla junção Holliday”. As cadeias de DNA dessa estrutura são então cortadas para unir os cromossomos, formando um cruzamento.

Nos homens, as células de esperma imaturas que estão se desenvolvendo imediatamente se dividem e distribuem os cromossomos para os espermatozoides. Em contraste, as células do óvulo que se desenvolvem no ovário fetal interrompem seu desenvolvimento após a formação dos cruzamentos. As células do óvulo imaturas podem permanecer em animação suspensa durante décadas após o nascimento, até serem ativadas para passar pelo processo de ovulação.

Apenas então, o processo volta a se mover: 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 do óvulo imaturo”, disse Hunter.

Se os pares de cromossomos não estiverem conectados por pelo menos um cruzamento, eles podem perder o contato um com o outro, como duas pessoas separadas em uma multidão agitada. Isso provoca uma segregação incorreta quando a célula finalmente se divide, produzindo óvulos com cromossomos a mais ou a menos. Isso pode causar infertilidade, abortos espontâneos ou condições genéticas como a síndrome de Down, na qual uma criança nasce com uma cópia extra do cromossomo 21, levando a compromisso cognitivo, defeitos cardíacos, perda auditiva e outros problemas.

Da levedura aos humanos

Hunter passou anos tentando entender como os cruzamentos se formam e como esse processo pode falhar e causar problemas reprodutivos. Estudando esse processo em leveduras, os pesquisadores conseguem visualizar diretamente os eventos moleculares da resolução da junção de Holliday dupla em populações celulares sincronizadas.

Os pesquisadores identificaram dezenas de proteínas que se ligam e processam essas junções. Hunter e o então pós-doutorando Shangming Tang (atualmente 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, fizeram com que as células degradassem uma ou mais proteínas específicas dentro das estruturas associadas às junções. Eles puderam então analisar o DNA dessas células para verificar se as junções foram resolvidas e se formaram cruzamentos. Dessa forma, conseguiram construir um panorama em que uma rede de proteínas atua em conjunto para garantir que os cruzamentos sejam formados.

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

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

“Elas protegem a junção de Holliday dupla”, disse Hunter. “Essa é uma descoberta fundamental.”

Esse projeto de pesquisa de anos em leveduras é amplamente relevante para a reprodução humana porque o processo mudou muito pouco durante a evolução. A falha na proteção das junções de Holliday duplas pode estar relacionada 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.

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 Abrangente 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 na instalação de Proteômica, instalação de Microscopia de Luz MCB, Centro de Genômica, Programa de Biologia de Camundongos e no Centro de Câncer Abrangente da universidade.