Cientistas descobrem fungos que quebram a regra de "um núcleo, um genoma".

Genomas reúnem todo o acervo de informações necessário para formar e manter um organismo vivo - uma espécie de “planta” da vida.

Nos eucariotos, os genomas ficam guardados no núcleo celular e são arranjados em cromossomos. Eucarioto é o organismo cujas células têm um núcleo envolto por uma membrana: plantas, animais, fungos e muitos microrganismos se enquadram nesse grupo.

No caso humano, por exemplo, o genoma é distribuído em 23 cromossomos, e cada um carrega uma parte do código genético completo.

Até pouco tempo, predominava a ideia de que todo núcleo traz pelo menos um conjunto completo de cromossomos - a regra de “um núcleo, um genoma completo”.

Nossas pesquisas, porém, mostraram que, em 2 espécies de fungos, o genoma pode ser repartido entre múltiplos núcleos, de modo que cada núcleo recebe apenas uma fração do total de cromossomos.

Uma descoberta surpreendente sobre Sclerotinia sclerotiorum

No nosso laboratório na Universidade da Colúmbia Britânica, investigamos o fungo Sclerotinia sclerotiorum, um patógeno de solo que provoca podridão do caule (ou mofo branco) em diversas culturas, como canola, soja e girassol.

Embora cause prejuízos relevantes em culturas de alto valor comercial, ainda sabemos pouco sobre a genética e a biologia celular de S. sclerotiorum.

Ao tentar entender melhor como esse fungo funciona, nos deparamos com um achado inesperado sobre como os 16 cromossomos de S. sclerotiorum se organizam durante a divisão celular e a reprodução.

A maior parte das células eucarióticas é diploide, isto é, o núcleo abriga 2 cópias de cada cromossomo distinto. Em muitos fungos, como a levedura de panificação, a reprodução se inicia quando uma célula parental diploide se divide e dá origem a esporos haploides, com um núcleo contendo 1 cópia de cada cromossomo.

Com S. sclerotiorum, no entanto, os esporos (chamados de ascósporos) trazem 2 núcleos separados em cada unidade. Antes, a suposição era de que cada núcleo seria haploide e guardaria o conjunto inteiro dos 16 cromossomos. Se isso fosse verdade, cada ascósporo teria 32 cromossomos no total, algo análogo ao que ocorre em uma célula diploide.

Com microscopia de fluorescência, conseguimos contar diretamente quantos cromossomos existem em um único ascósporo. De forma notável, observamos de maneira consistente apenas 16 cromossomos por ascósporo - um resultado que contraria os 32 cromossomos previstos pela teoria atual de “um núcleo, um genoma completo”.

Além disso, aplicamos sondas fluorescentes para marcar cromossomos específicos e constatamos que os 2 núcleos dentro de um ascósporo não carregam os mesmos cromossomos. Ou seja: em vez de cada núcleo conter um conjunto completo, os ascósporos exibem um único conjunto de 16 cromossomos repartido entre 2 núcleos.

Uma divisão irregular dos cromossomos entre núcleos

A pergunta seguinte foi: esses 16 cromossomos são distribuídos aleatoriamente entre os 2 núcleos ou essa divisão obedece a um padrão fixo?

Para investigar, isolamos núcleos individuais e identificamos quais cromossomos estavam presentes por meio de análise por reação em cadeia da polimerase (PCR). O que encontramos foi uma composição cromossômica diferente de um núcleo para outro, indicando que a separação dos cromossomos entre núcleos ocorre de maneira irregular.

Como o resultado chamou atenção, buscamos verificar se algo semelhante também acontecia em outros fungos. Botrytis cinerea é outro fungo fitopatogênico, da mesma família de S. sclerotiorum.

Em vez de 2 núcleos, como se vê com regularidade nos ascósporos de S. sclerotiorum, B. cinerea forma esporos conidiais que tipicamente têm 4 a 6 núcleos. Com métodos equivalentes, observamos que os 18 cromossomos do genoma de B. cinerea também ficam divididos entre núcleos, e cada núcleo costuma carregar de 3 a 8 cromossomos.

Esse conjunto de evidências indica que a “divisão” de um genoma haploide entre núcleos ocorre em múltiplos fungos fitopatogênicos. Ainda assim, são necessários mais estudos para saber se esse fenômeno é comum em outras famílias de fungos - ou até mesmo em outros eucariotos.

Um mecanismo ainda desconhecido

O fato de que os genomas haploides de S. sclerotiorum e B. cinerea ficam separados entre núcleos levanta dúvidas sobre como essa organização influencia as demais etapas do ciclo de vida desses fungos.

Para gerar a próxima geração, esses fungos precisam reconstruir uma célula diploide com o conjunto completo de cromossomos, a partir da qual novos ascósporos podem ser formados. Em princípio, isso exigiria a fusão de núcleos com cromossomos complementares, reunindo novamente o genoma. Então, como esses fungos garantem que os núcleos “certos” se fundam?

A explicação mais simples seria a de seleção por viabilidade: os núcleos poderiam se fundir ao acaso, mas apenas aqueles que resultassem em um genoma completo formariam ascósporos viáveis.

Isso parece pouco eficiente, e um cenário mais plausível envolveria alguma estrutura ou mecanismo capaz de manter núcleos complementares próximos após a divisão inicial, permitindo que se recombinem com facilidade mais adiante no ciclo de vida do fungo.

Esperamos que nossos próximos trabalhos esclareçam essas questões instigantes e ampliem a compreensão sobre a dinâmica fundamental dos núcleos e de seus genomas.

Com esse entendimento aprimorado, será possível viabilizar revoluções marcantes em edição genética, permitindo que pesquisadores manipulem cromossomos e núcleos conforme necessário.

Xin Li, professor, Botânica, Universidade da Colúmbia Britânica; Edan Jackson, doutorando, Botânica, Universidade da Colúmbia Britânica; e Josh Li, mestrando, Medicina, Universidade da Colúmbia Britânica

Este artigo foi republicado a partir de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.