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Sobrevivência do apto
Em vez de conferir um benefício a seu hospedeiro, os condutores meióticos conferem desvantagens distintas a seu hospedeiro, a fim de influenciar sua própria perpetuação.
Por Stowers Institute for Medical Research - 17/08/2020


Os genes existem juntos em um genoma, assim como as pessoas vivem juntas em sociedades. Dentro dessa comunidade mais ou menos organizada, ocasionalmente genes parasitas surgem em detrimento do grupo maior, levando o genoma a usar estratégias para mitigar esses efeitos. Foto cortesia do Stowers Institute for Medical Research. Crédito: Stowers Institute for Medical Research

Pode ser difícil contestar o ditado comum 'sobrevivência do mais apto'. Afinal, "a maioria dos genes no genoma estão lá porque estão fazendo algo bom", diz Sarah Zanders, Ph.D., pesquisadora assistente do Stowers Institute for Medical Research. Mas, ela diz, "outros estão lá apenas porque descobriram uma maneira de estar lá."

O entendimento convencional da evolução é que os genes que codificam uma função benéfica são os transmitidos com mais frequência, o que garante que os organismos mais aptos - aqueles que têm características mais favoráveis ​​ao ambiente - sobrevivam. Menos conhecido é o fato de que existem elementos de genes parasitas dentro de um organismo que estão fazendo exatamente o oposto.

“A maneira como se poderia pensar é que o genoma é como uma sociedade”, explica Zanders. “Nessa sociedade, existem indivíduos que vivem de fazer coisas boas e fazer contribuições valiosas. Mas há outros que não contribuem de forma benéfica e são realmente prejudiciais à sociedade”, explica Zanders.

O Laboratório Zanders estuda genes parasitas em Schizosaccharomyces pombe , uma espécie de levedura de fissão às vezes encontrada na popular bebida fermentada de chá kombucha. Devido à sua simplicidade e tempos de geração rápidos, S. pombe é um sistema altamente tratável para estudar elementos de genes parasitas, particularmente uma classe conhecida como drivers meióticos. Em vez de conferir um benefício a seu hospedeiro, os condutores meióticos conferem desvantagens distintas a seu hospedeiro, a fim de influenciar sua própria perpetuação. Um método de fazer isso, empregado pelos genes de impulso meiótico wtf , é por meio do envenenamento seletivo de células na meiose.

Meiose é o processo de divisão celular através do qual organismos que se reproduzem sexualmente formam gametas - como óvulos e espermatozoides em humanos ou esporos em leveduras - para se propagar a próxima geração. Normalmente, esse processo resulta em gametas que herdam uma das duas cópias de cada cromossomo transportado pela célula-mãe, e cada cópia é transmitida aos gametas em uma taxa igual. Os motoristas meióticos, no entanto, causam um curto-circuito nessa lei da segregação mendeliana.

"Normalmente, todos os alelos - ou variantes de um determinado gene - têm uma chance justa, e a seleção natural pode escolher os melhores", explica Zanders. "Mas os alelos que são impulsionadores meióticos selecionam a si próprios mesmo que não sejam a melhor opção. E nunca são a melhor opção."

Em um artigo publicado online em 13 de agosto de 2020, na eLife , membros do laboratório Zanders explicam como é possível que motoristas meióticos persistam na população, mesmo matando muitos aspirantes a hospedeiros. Acontece que o S. pombe pode empregar variantes de outros genes para ajudar a suprimir o efeito negativo dos condutores meióticos, embora a um custo para o condicionamento físico.
 
Normalmente, para propagar cepas de laboratório de S. pombe , eles são consanguíneos. "Quando você cruza dois isolados quase idênticos, eles quase não produzem progênie", explica a primeira autora María Angélica Bravo Núñez, Ph.D., que esteve envolvida na identificação dos genes wtf e que fez este trabalho nos Zanders Laboratório como pesquisador pré-doutorado na Escola de Pós-Graduação do Stowers Institute. "Isso sugere que pode haver algum tipo de competição em jogo." Bravo Núñez e colegas usaram esse raciocínio para procurar genes que poderiam estar em conflito em genomas semelhantes, mas não idênticos, de S. pombe . O desenho experimental central do presente trabalho envolveu cruzamento de S. pombe isolados que são mais de 99% idênticos.

"O cruzamento pode ter muitas vantagens", diz Bravo Núñez, como fornecer um alelo normal de um gene para resgatar o efeito de um alelo mutante. "Mas os genes da unidade meiótica que estudamos na verdade exercem seu efeito deletério no cenário heterozigoto, onde os alelos de um gene não são os mesmos."

Um experimento esclarecedor que fizeram foi comparar os resultados de isolados consanguíneos e cruzados de S. pombe em um fundo genético contendo uma mutação em rec12 , que é um gene que promove a segregação cromossômica adequada.

“O Rec12 geralmente promove a fertilidade”, diz Bravo Núñez. "Quando removemos a função rec12 , o número de esporos viáveis ​​diminuiu, mas apenas no cenário consanguíneo. Os números relativos de esporos viáveis ​​não diminuíram realmente no cenário cruzado." Além disso, dos esporos viáveis, eles descobriram que a sobrevivência era tendenciosa para produtos de gametas atípicos, resultantes da má-segregação e cruzamento desigual de cromossomos emparelhados. Em outras palavras, os esporos sobreviventes continham o número máximo de condutores meióticos, às vezes devido à herança de um cromossomo extra. Essa descoberta foi surpreendente porque cromossomos extras são geralmente considerados muito prejudiciais. Em humanos, por exemplo, cromossomos extras ou ausentes podem levar a gametas inviáveis, defeitos congênitos graves ou infertilidade.

“Quando você tem heterozigosidade de genes wtf , fazer uma mutação no gene rec12 é relativamente bom para o organismo, porque é isso que tem que acontecer para não matar toda a progênie”, diz Bravo Núñez.

"Pensamos no rec12 como um gene realmente importante para a fertilidade", explica Zanders. "Mas a situação é totalmente diferente quando há cruzamento. Ter rec12 não ajuda em nada, porque a levedura é melhor fazer gametas que não resultam da segregação cromossômica adequada. Este é apenas um exemplo do poder dos impulsores meióticos para mudar a paisagem da meiose. Fundamentalmente, o que é 'bom' para o organismo mudou. "

"Ter esse cromossomo extra não é bom, e as colônias de leveduras parecem incomuns, pequenas e irregulares. Mas depois que continuam a crescer por um tempo, as células perdem esse cromossomo extra e então podem prosperar como haploides. Então, esta etapa é na verdade, apenas temporário ", diz Bravo Núñez.

Precisamente porque os condutores meióticos exercem sua influência em um cenário heterozigoto, eles são facilmente perdidos. "Existem muitos sabores de impulso meiótico. Algumas formas de impulso meiótico são difíceis de medir experimentalmente porque o viés é muito sutil", diz Zanders. "Não somos os primeiros a estudar os drivers meióticos em profundidade. Temos apenas um sistema de modelo melhor agora, para que possamos progredir mais rapidamente."

"Os sistemas de acionamento tendem a ser repetitivos e geralmente você pode encontrá-los em várias cópias nos genomas", diz Bravo Núñez. "Em muitos casos, eles já foram encontrados em outros sistemas, como fungos, camundongos e moscas-das-frutas, mas ainda não foram totalmente caracterizados." O estudo de drivers meióticos em S. pombe "esperançosamente guiará pesquisas futuras para entender outros sistemas de propulsão."

"Os humanos certamente têm genes de comando meióticos. Se eles têm ou não genes de comando meióticos do tipo que mata gametas não está claro", diz Zanders. "O impulso meiótico provavelmente afetou a evolução dos centrômeros humanos, que são regiões dos cromossomos muito importantes para a segregação cromossômica adequada. Certas fusões cromossômicas exibem um impulso meiótico em humanos, assim como as sequências que estão envolvidas na recombinação do DNA. continue se concentrando nesses e em outros elementos genéticos parasitas, suas estratégias e efeitos. "

Outros coautores deste trabalho incluem Ibrahim M. Sabbarini e Lauren E. Eide do Stowers Institute e Robert L. Unckless, Ph.D., da University of Kansas.

Este trabalho foi financiado em parte pelo Stowers Institute for Medical Research, pela March of Dimes Foundation Basil O'Connor Starter Scholar Research Award (5-FY18-58 para SEZ), Searle Scholar Award (para SEZ) e National Institutes of Health ( O Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais concede R00GM114436 e DP2GM132936 ao SEZ e o Instituto Nacional do Câncer concede F99CA234523 ao MABN). O conteúdo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente a opinião oficial do National Institutes of Health.

Resumo de Descobertas de Lay

Um novo estudo publicado online em 13 de agosto de 2020, na eLife do laboratório de Sarah Zanders, Ph.D., no Stowers Institute for Medical Research, descreve uma estratégia que o genoma de levedura de fissão de S. pombe pode usar para mitigar alguns dos piores efeitos conferidos por elementos de genes parasitas conhecidos como drivers meióticos.

Os drivers meióticos analisados ​​no estudo são capazes de curto-circuitar a lei convencional da segregação de Mendel, que geralmente garante que cada gameta (célula reprodutiva) receba uma das duas cópias de cada cromossomo da célula-mãe com transmissão igual. Em vez disso, os condutores meióticos podem envenenar gametas que não contêm sua sequência genética, oscilando assim a taxa de transmissão a seu favor.

Como forma de permitir a sobrevivência de alguns gametas que, de outra forma, morreriam, o genoma do S. pombe pode empregar variantes de outros genes para criar uma situação que os "proteja", mesmo que isso acarrete um custo para a adequação. Por exemplo, uma mutação em rec12 , um gene responsável pela segregação cromossômica adequada, pode levar a gametas com cromossomos extras. Enquanto cromossomos extrassão geralmente indesejáveis; neste cenário, eles realmente permitem que mais gametas sobrevivam. Esta percepção surpreendente sobre os impulsores meióticos e como eles podem ser suprimidos pode ajudar os pesquisadores a entender melhor as forças que moldam a evolução da formação dos gametas, bem como aquelas subjacentes à infertilidade humana.

 

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