Uma nova descoberta explica o que determina o número e a posição das trocas genéticas que ocorrem nas células sexuais, como pólen e óvulos em plantas, ou espermatozóides e óvulos em humanos.
Quando as células sexuais são produzidas por uma divisão celular especial chamada meiose, os cromossomos trocam grandes segmentos de DNA. Isso garante que cada nova célula tenha uma composição genética única e explica por que, com exceção de gêmeos idênticos, dois irmãos nunca são completamente iguais. Essas trocas de DNA, ou cruzamentos, são essenciais para gerar diversidade genética, a força motriz da evolução, e sua frequência e posição ao longo dos cromossomos são rigidamente controladas.
O co-primeiro autor do estudo, Dr. Chris Morgan, explica a importância desse fenômeno: “O posicionamento cruzado tem implicações importantes para a evolução, fertilidade e reprodução seletiva. Ao compreender os mecanismos que impulsionam o posicionamento cruzado, é mais provável que possamos descobrir métodos para modificar o posicionamento do cruzamento para melhorar as tecnologias atuais de criação de plantas e animais. ”
Apesar de mais de um século de pesquisa, o mecanismo celular que determina onde e quantos cruzamentos se formam permaneceu principalmente misterioso, um quebra-cabeça que fascinou e frustrou muitos cientistas eminentes. A frase “interferência cruzada” foi cunhada em 1915 e descreve a observação de que quando um cruzamento ocorre em um local em um cromossomo, ele inibe a formação de cruzamentos próximos.
Usando uma combinação de ponta de modelagem matemática e microscopia de super-resolução ‘3D-SIM’, uma equipe de pesquisadores do John Innes Center resolveu este mistério centenário identificando um mecanismo que garante que os números de crossover e as posições sejam ‘perfeitos’: não muitos, não poucos e não muito próximos uns dos outros.
A equipe estudou o comportamento de uma proteína chamada HEI10, que desempenha um papel fundamental na formação de crossover na meiose. A microscopia de super-resolução revelou que as proteínas HEI10 se agrupam ao longo dos cromossomos, formando inicialmente muitos grupos pequenos. No entanto, com o passar do tempo, as proteínas HEI10 se concentram em apenas um pequeno número de clusters muito maiores que, uma vez que atingem uma massa crítica, podem desencadear a formação de crossover.
Essas medidas foram então comparadas com um modelo matemático que simula esse agrupamento, baseado na difusão das moléculas HEI10 e regras simples para seu agrupamento. O modelo matemático foi capaz de explicar e prever muitas observações experimentais, incluindo que a frequência de crossover poderia ser modificada de forma confiável simplesmente alterando a quantidade de HEI10.
O co-primeiro autor, Dr. John Fozard, explica: “Nosso estudo mostra que os dados de imagens de super-resolução de células reprodutivas de Arabidopsis são consistentes com um modelo matemático de ‘engrossamento mediado por difusão’ para padronização cruzada em Arabidopsis. O modelo nos ajuda a entender a padronização de cruzamentos ao longo dos cromossomos meióticos. ”
O trabalho se baseia no legado do John Innes Center de usar plantas como organismos modelo para estudar aspectos conservados e fundamentais da genética. Este mesmo processo também foi estudado pelos ex-alunos do JIC J.B.S Haldane e Cyril Darlington na década de 1930. O modelo também apóia as previsões feitas por outro famoso ex-aluno do JIC, Robin Holliday, na década de 1970.
O autor correspondente, Professor Martin Howard, acrescenta: “Este trabalho é um grande exemplo de pesquisa interdisciplinar, em que experimentos de ponta e modelagem matemática foram necessários para desbloquear o coração do mecanismo. Um caminho futuro empolgante será avaliar se nosso modelo pode explicar com sucesso a padronização cruzada em outros organismos diversos. ”
Essa pesquisa será particularmente valiosa para culturas de cereais, como o trigo, em que os cruzamentos são restritos principalmente a regiões específicas dos cromossomos, evitando que todo o potencial genético dessas plantas esteja disponível para os melhoristas.
“O engrossamento HEI10 mediado por difusão pode explicar o posicionamento do cruzamento meiótico em Arabidopsis” aparece na Nature Communications.
Publicado em 04/08/2021 12h36
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