Pesca descuidada: quando a meiose corre mal Understand article

Traduzido por Guadalupe Jácome. Porque é que a meiose tantas vezes corre mal? Quais são as consequências?

Mapeando o movimento: as
linhas coloridas traçam o
mapa do movimento
(púrpura a amarelo) de
cinetocoros (pontos verdes)
à medida que os
microtúbulos se engancham
neles para separar os
cromossomas (azul-ciano).

Imagem cortesia de Tomoya
Kitajima, EMBL

Numa feira de aldeia, depois dos carrinhos de choque e do algodão doce, a testa de uma criança franze-se de concentração. Está a dar o seu melhor para apanhar um peixe de madeira de um lago de plástico, usando o íman na ponta de uma cana de pesca. Paremos a cena e recuemos no tempo através do desenvolvimento da criança, para além do momento em que um espermatozoide fertilizou um óvulo, até ao momento em que o próprio óvulo se formou, e encontraremos um jogo de pesca semelhante, em curso. A diferença, como os cientistas do European Molecular Biology Laboratory (EMBL – Laboratório Europeu de Biologia Molecular; ver caixa) descobriram, é que a criança que empunha o íman tem, provavelmente, maior sucesso como pescador que a maquinaria celular do oócito (Kitajima et al., 2011).

À medida que o óvulo, ou oócito, matura no ovário de uma mulher, leva a cabo um tipo de divisão celular a que chamamos meiose, no qual os pares de cromossomas que contém são alinhados, “pescados” em direções opostas e metade acaba por ser eliminada. Os cromossomas, que partem de toda a célula, são reunidos (Mori et al., 2011) e depois separados por canas proteicas chamadas microtúbulos. Como a cana de pesca da criança puxando um peixe de brincar pelo íman, um microtúbulo apanha um cromossoma pelo seu cinetocoro – um complexo de proteínas e material genético, no centro do X que é a forma do cromossoma.

Principais eventos da meiose humana durante a maturação do óvulo. Clique na imagem para ampliar.
A: Durante os primeiros cinco meses de desenvolvimento de um embrião humano feminino, formam-se todos os seus potenciais futuros óvulos. Em cada uma destas células, após a replicação do DNA, os cromossomas trocam material genético durante o crossing over. A meiose fica, então, suspensa até à ovulação e a maioria dos óvulos potenciais acaba por morrer.   
B: Entre a puberdade e a menopausa, em cada ciclo mensal, alguns potenciais óvulos retomam a meiose, mas só um de cada vez completa, eventualmente, o processo. Os cromossomas homólogos alinham-se no equador do oócito primário e são então “pescados” para um e outro lado por microtúbulos. O oócito primário divide-se formando um oócito secundário e um glóbulo polar.
Agora, no equador do oócito secundário e também no do glóbulo polar, alinham-se pares de cromatídios e, no momento da ovulação, os microtúbulos ligam-se-lhes. Nesta altura, a meiose para novamente até que haja fecundação.
C: Se a fecundação ocorrer, os dois cromatídios de cada par são separados, deslocando-se para pólos opostos da célula. O glóbulo polar divide-se em dois e o oócito secundário divide-se para formar um terceiro glóbulo polar e um óvulo maduro, completando a meiose. Cada uma das quatro células filhas tem uma constituição genética diferente.
O material genético dos glóbulos polares é eliminado enquanto o do óvulo se junta ao do espermatozoide que o fertilizou, iniciando-se o desenvolvimento de um novo embrião. Clique na imagem para ampliar.
Imagem cortesia de Nicola Graf

Ao observar óvulos de rato ao microscópio, o cientista Tomoya (Tomo) Kitajima foi o primeiro a seguir os movimentos de todos os cinetocoros de um oócito durante todo o processo de divisão – 10 horas. “ Conseguimos, pela primeira vez, seguir todos os cinetocoros ao longo da divisão celular – não há, portanto, um único momento em que a localização desta parte do cromossoma seja ambígua – e é, de facto, um grande avanço nesta área, conseguir fazê-lo nestas células muito grandes e sensíveis à luz,” diz Jan Ellenberg que dirige o grupo.

Diagrama de um
cromossoma. O centrómero
(mancha vermelha) é o local
de montagem do cinetocoro.

Imagem cortesia de Tryphon;
fonte da imagem: Wikimedia
Commons

Tomo usou software que tinha sido previamente desenvolvido no laboratório de Jan, o que lhe permitiu programar um microscópio de varrimento laser para encontrar os cromossomas no vasto espaço interno dos oócitos e depois filmá-los durante a divisão celular. “O oócito é uma célula grande mas os cromossomas situam-se só numa pequena porção da célula que era o que nos interessava. Basicamente só tornámos os nossos microscópios suficientemente inteligentes para que pudessem reconhecer a localização dos cromossomas e fazer um zoom, no espaço e no tempo, só naquela região,” explica Jan.

Focando o microscópio só na parte da célula onde estão os cromossomas, Tomo foi capaz de obter imagens de alta resolução a curtos intervalos de um minuto e meio, o que lhe deu uma visão muito clara do processo. E, porque o microscópio estava só a fazer incidir a luz nessa pequena região do oócito, causou menos danos na célula o que permitiu que os cientistas mantivessem a captura de imagens durante as 10 horas que durou a divisão celular (ver caixa para saber mais sobre microscopia inteligente).

Pescando com ímanes
Imagem cortesia de QUOI
Media; fonte da imagem: Flickr

Voltando ao lago da pesca, os ânimos podem incendiar-se e as vozes esganiçar-se em acusações: “Isso é batota! Não podes empurrar o peixe com a tua cana!” Graças ao trabalho de Jan e Tomo, a criança acusada poderia argumentar em sua defesa que as suas células já faziam ‘batota’ como esta mesmo ainda antes de ele nascer. Quando os cientistas do EMBL analisaram os vídeos, descobriram que, antes de os microtúbulos se ligarem aos cinetocoros, dão uns toques nos cromossomas ajeitando-os numa posição mais favorável, como uma criança reposicionando o peixe com a ponta da sua cana. Os microtúbulos ajeitam os braços dos cromossomas num anel do qual podem então pescá-los mais facilmente.

“Mas mesmo com este pré-posicionamento, as coisas ainda não funcionam muito bem”, diz Jan. “Vimos que 90% das conexões com os cinetocoros estavam, de início, estabelecidas de forma errada e os microtúbulos tinham de libertar o cromossoma e tentar novamente – isto tinha de ser feito, em média, três vezes por cada cromossoma.”

Microtúbulos batoteiros:
antes de começar a ligar-se
aos cinetocoros (verde) os
microtúbulos ajeitam os
cromossomas (vermelho)
num anel em torno do
centro do fuso.

Imagem cortesia de Tomoya
Kitajima, EMBL

Cientistas nos EU demonstraram que a mesma ‘batota’ acontece no outro tipo de divisão celular que as nossas células levam a cabo quando crescemos ou quando tecidos como a pele regeneram (Magidson et al., 2011). Neste segundo tipo de divisão, chamado mitose, uma célula divide-se em duas células filhas, cada uma com a mesma quantidade de material genético que a célula mãe, em vez de só metade do material genético, como na meiose. Mas as descobertas de Jan e Tomo revelaram que a ‘pesca’ dos cromossomas envolve muito mais erros na meiose em oócitos que na mitose. Os cientistas creem que o maior grau de erro na meiose se deve a uma diferença fundamental no modo como os microtúbulos separam os cromossomas nos dois tipos de divisão celular.

Mitose: após ter efetuado a
replicação do seu DNA, os
cromossomas alinham-se
no equador da célula. Os
microtúbulos ligam-se aos
cinetocoros dos cromatídios
irmãos e separam-nos. Após
a mitose, a célula divide-se.
As duas células filhas
resultantes são
geneticamente idênticas à
célula mãe. Clique na imagem
para ampliar.

Imagem cortesia de Mysid;
fonte da imagem: Wikimedia
Commons

Durante a mitose, os microtúbulos começam a formar-se a partir de dois pontos opostos da célula e juntam-se formando uma estrutura em forma de limão – o fuso – que puxa um cromatídio de cada par para um dos lados ou pólo. Mas na meiose, como o grupo de Jan descobriu há alguns anos (Schuh & Ellenberg, 2007), os microtúbulos do fuso convergem a partir de até 80 diferentes pontos de partida e só mais tarde se organizam numa estrutura com dois pólos. “Portanto, quando se inicia a ligação dos microtúbulos aos cromossomas, é difícil saber se acabarão puxando-os em direções opostas ou não”, explica Jan. Isto e o facto de que no oócito a extensão através da qual os microtúbulos têm de encontrar e arrastar os cromossomas é muito maior – um oócito humano tem mais do que quatro vezes o tamanho de uma célula da pele – poderia explicar por que razão a ‘pesca’ de cromossomas é muito mais propensa a erros num oócito.

Estas descobertas também proporcionam aos cientistas um local mais concreto onde procurar quando estão a estudar a infertilidade feminina ou situações como o sindroma de Down, que derivam, maioritariamente, de oócitos com um número anormal de cromossomas. Demonstrando que estes erros ocorrem, provavelmente, porque os microtúbulos não conseguem estabelecer as conexões certas para separar os cromossomas da forma apropriada, Tomo e Jan abriram uma nova perspetiva para estudos futuros. De facto, Tomo irá agora continuar a estudar porque é que este processo de tentativa e erro é mais passível de erro nos oócitos mais velhos. Se ele e outros puderem apontar onde falham os mecanismos de correção de erros nas células mais velhas, isso pode um dia vir a tornar-se um ponto de partida para procedimentos médicos que ajudem os microtúbulos a melhorar a sua técnica de pesca. Talvez o segredo para contrariar a infertilidade relacionada com a idade seja tornar os microtúbulos tão eficientes na pesca como as crianças com os seus ímanes de brincar.

Tornando os microscópios mais inteligentes

Cromossomas (azul)
alinhados e preparados para
a separação. Os cinetocoros
(vermelho) ligam os
cromosomas aos
microtúbulos da célula
(verde).

Imagem cortesia de Tomoya
Kitajima, EMBL

O software utilizado por Tomo para encontrar e filmar os cromossomas durante a divisão celular é uma promessa de futuro. Desde essa altura, em colaboração com outra equipa do EMBL liderada por Rainer Pepperkok, o grupo de Jan desenvolveu um programa mais complexo, capaz de proezas de automação ainda maiores. Chamado Micropilot, o novo software analisa imagens de baixa resolução obtidas por um microscópio e encontra não só cromossomas mas qualquer outra estrutura que os cientistas o tenham ensinado a procurar.

Uma vez que o Micropilot tenha identificado a célula ou estrutura em que os cientistas estão interessados, automaticamente dá instruções ao microscópio para que comece uma experiência. Pode ser tão simples como a gravação de vídeos de alta resolução ou tão complexo como o uso de lasers para interferir com proteínas marcadas por fluorescência gravando os resultados. Este software é uma dádiva para o estudo da Biologia de sistemas uma vez que gera mais dados e a um ritmo mais acelerado. Graças ao seu alto rendimento, o Micropilot pode fácil e rapidamente gerar dados suficientes para obter resultados estatisticamente fiáveis, permitindo aos cientistas investigar o papel de centenas de proteínas diferentes num processo biológico específico.


 

Mais sobre o EMBL

O European Molecular Biology Laboratory (EMBL)w1 é uma das instituições de pesquisa dedicadas à investigação básica nas Ciências da Vida, mais importantes a nível mundial. O EMBL é internacional, inovador e interdisciplinar. Nele trabalham pessoas de 60 nacionalidades diferentes e com formações que incluem a Biologia, a Física, a Química e a Ciência da Computação, e colaboram em investigação que abarca todo o espectro da Biologia Molecular.

O EMBL é membro do EIROforumw2, o editor da Science in School.

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Institution

EMBL, EIROforum

Author(s)

Sónia Furtado Neves nasceu em Londres, Reino Unido, e mudou para Portugal com três anos. Durante a licenciatura em Zoologia na Universidade de Lisboa, trabalhou no departamento de educação do Jardim Zoológico de Lisboa; foi aí que descobriu que o que realmente gosta de fazer é falar às pessoas sobre ciência. Continuou os estudos fazendo um mestrado em comunicação de ciência no Imperial College London e é agora a assessora de imprensa do European Molecular Biology Laboratory em Heidelberg, Alemanha.


Review

Este artigo trata de novos dados científicos relacionados com a compreensão da divisão celular, nomeadamente a ligação dos microtúbulos aos cromossomas durante a mitose e a meiose.

O grau de detalhe deste artigo torna-o particularmente útil para as aulas de Biologia do ensino secundário (idades 15+) para temas como a Citologia (mitose e meiose) a Genética (causas e consequências de anomalias cromossómicas) e reprodução (gametogénese e infertilidade).

O artigo pode também ser usado como ponto de partida para discussões alargadas sobre os benefícios da modelização dos fenómenos biológicos (os modelos podem ajudar-nos a compreender os processos) e os respetivos riscos. Por exemplo, na maioria dos manuais que descrevem a mitose e a meiose os cromossomas são representados como estruturas grandes o que pode induzir nos alunos a ideia de que são facilmente observáveis em qualquer tipo de células. Porém, como ressalta deste artigo, isto não corresponde à verdade.

Finalmente, o artigo ilustra de que modo os esforços de um grupo de investigação podem beneficiar outras áreas de pesquisa e também sublinha a relação sinergética entre ciência e tecnologia.


Betina da Silva Lopes, Portugal




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CC-BY-NC-ND