De organismo modelo a avanços médicos Understand article

Tradução de Isabel Queiroz Macedo. Um simples fungo usado na produção de cerveja é hoje utilizado pelo mundo fora em investigação sobre cancro.

Imagem cortesia de iStock

O cancro afecta anualmente milhões de pessoas no mundo. Porém, graças à investigação em curso sobre o cancro e a biologia celular subjacente, os tratamentos e taxas de sobrevivência melhoram todos os dias. A levedura Schizosaccharomyces pombe é, talvez surpreendentemente, uma ferramenta muito útil na investigação do cancro. Este extensamente estudado organismo modelo (ver caixa), utilizado em investigação há mais de 50 anos, tem permitido esclarecer os processos de crescimento e divisão de células normais e cancerosas e levou a descobertas muito importantes que ganharam um prémio Nobel.

O cancro é o equivalente humano de erva daninha – células anormais indesejadas crescem descontroladamente e no local errado. Isto é muitas vezes o resultado de alterações no DNA de uma célula, denominadas mutações, que se acumulam com o tempo. Estas mutações podem fazer com que as células cresçam demasiado depressa e se dividam com demasiada frequência, formando depois tumores que invadem tecidos e órgãos vizinhos, causando danos. Para entender de que modo estas mutações causam cancro é preciso antes perceber o funcionamento das células em circunstâncias normais.

 

Organismos modelo

Muitos processos básicos da vida, particularmente a nível celular, são muito semelhantes em todos os seres vivos. Isto significa que os cientistas podem usar organismos como moscas da fruta, peixe-zebra, ratinhos ou mesmo leveduras para estudar os fundamentos do crescimento e desenvolvimento celular e aplicar esse conhecimento a humanos. Algumas espécies revelaram-se particularmente úteis em investigação e foram por isso denominadas organismos modelo.

Estes organismos são em geral pequenos, robustos e de fácil manutenção. Com um ciclo de vida curto, S. pombe ié um organismo modelo particularmente útil porque:

  • É uma célula única com apenas 5000 genes (comparados com 20 000 em células humanas)
  • O genoma é fácil de manipular – podemos adicionar, mutar ou remover genes. Também podem ser marcados com fluorocromos, permitindo a visualização de proteínas com microscópios especializados;
  • O genoma é usualmente haplóide (há só uma cópia de cada cromossoma), o que significa que as alterações genéticas são expressas no fenótipo e não são mascaradas por outro gene;
  • O ciclo de vida é simples e é fácil dizer em que estadio a célula se encontra apenas olhando para ela.
  • Muitos dos genes de S.pombe têm homólogos (equivalentes) em células humanas;
  • As células são rápidas, baratas e fáceis de cultivar e podem ser armazenadas durante vários anos a -80ºC.

 

Infelizmente, as células humanas não são ideais para investigação em ciclo celular. O genoma humano contém cerca de 20 000 genes, muitos dos quais com mais de uma função. Além disso, células e DNA humano podem não ser fáceis de manipular no laboratório, o que dificulta a determinação da função de um gene específico. A levedura S.pombe forneceu a solução. Este organismo unicelular, também conhecido como levedura de fissão, tem apenas 4 μm de largura, 14 μm de comprimento e cerca de 5 000 genes.

S. pombe foi descrita pela primeira vez em 1893 pelo cientista alemão Paul Lindner, que descobriu a levedura em cerveja de sorgo da África Oriental. Por isso deu-lhe o nome da palavra Suaíli para cerveja, pombe. Os estudos sobre a genética e o ciclo celular de S. pombe começaram na década de 1950. Esta levedura é ideal para investigação por várias razões: é fácil de cultivar, é não patogénica, as células são suficientemente grandes para serem visíveis ao microscópio e contêm apenas três cromossomas e um ciclo de vida completo demora entre 2 e 4 horas ver caixa).

Um ponto forte de S. pombe como organismo modelo é a facilidade com que o seu genoma é manipulado – podem remover-se completamente genes específicos ou pode adicionar-se DNA extra.

SOs cientistas podem cultivar estas células geneticamente modificadas e o fenótipo resultante (as características observáveis do organismo) ajuda-os a esclarecer a função do gene que foi alterado. Além disso as células de S. pombesão haplóides, têm apenas uma cópia de cada gene, o que torna ainda mais fácil o estudo da função genética. Numa célula diplóide (em que há duas cópias de cada gene) é preciso muito cuidado para assegurar que ambas as cópias do gene são alteradas, e, consequentemente, que o fenótipo é significativo. Ter uma única cópia de cada gene, como acontece em S. pombe,simplifica este processo.

Adicionalmente, S. pombe tem um ciclo celular bem caracterizado e a sua forma regular de bastonete faz dela um organismo ideal para estudos de crescimento e divisão. As células mantêm a sua forma de bastonete e alongam-se nas extremidades até atingirem um comprimento determinado. O DNA é replicado e cada cópia do genoma move-se para uma metade da célula; de seguida forma-se um septo (corado com um marcador fluorescente) na região central da célula e ela divide-se (ver figura 1). Este ciclo repete-se, com cada célula a crescer e a dividir-se em duas células-filha, desde que as condições sejam propícias ao crescimento (p. ex. nutrientes em abundância).

Figura 1. O ciclo celular: a) Imagem ao microscópio de células de S. Pombe coradas com calcofluor, um corante fluorescente que se liga à parede celular de células de levedura. As células replicam o seu DNA e crescem até atingir um comprimento crítico, ponto em que se forma um septo e a célula se divide. b) As fases G1, S (replicação de DNA), G2 e M (mitose) do ciclo celular de S. pombe Pode-se estimar em que fase se encontra a célula de S. pombe medindo o seu comprimento. 
Imagem cortesia de Louise Weston

INos anos 70, Paul Nurse e a sua equipa começaram a isolar e caracterizar ciclos celulares em mutantes de S. pombe – trabalho que levou a um prémio Nobel em 2001. Inicialmente os investigadores procuraram alterações genéticas causadoras de morte celular ou de células anormalmente alongadas que não se dividiam (Nurse et al., 1976). A figura 2(b) mostra células alongadas que não se dividiram como resultado de inibição de um gene chamado cdc (abreviatura de ciclo de divisão celular).

Figura 2: Células de S. pombe contendo uma mutação sensível à temperatura no gene cdc25podem crescer normalmente (a), mas alongam-se e não se dividem se crescerem a determinada temperatura (b). O gene cdc25 codifica uma proteína que controla progressões no ciclo celular. A inibição de cdc25 faz com que as células permaneçam na fase G2 (ver figura 1) e se tornem incapazes de progredir para a mitose e de se dividir.
Imagem cortesia de Louise Weston

Os benefícios dos organismos modelo ficam claros quando a investigação contribui para avanços na compreensão de processos semelhantes em humanos. Muitos dos genes de S. pombe que regulam a reparação de erros no DNA, controlos em checkpoints e o ciclo celular têm homólogos (equivalentes) em células humanas. Por exemplo, depois de identificar o gene cdc2 em S. pombe, Nurse e os seus colaboradores continuaram a pesquisa e identificaram o gene correspondente em humanos, cdk1 (cinase 1 dependente de ciclina) (Lee & Nurse, 1987). Este gene codifica uma proteína que inicia e regula a divisão celular em humanos. Mutações neste gene podem desencadear divisão celular anormal e duplicação ou delecção de secções de cromossomas, causando cancro. Estão em curso estudos sobre os benefícios terapêuticos de inibição selectiva de CDK no tratamento de cancro em humanos. As oportunidades não se ficam pelo cancro – na realidade, homólogos de pelo menos 50 genes de S. pombe estão associados a doenças humanas tão variadas como fibrose cística, surdez hereditária ou diabetes tipo 2.

Plano arquitectónico do
interior de uma levedura de
fissão. Há ainda muito por
esclarecer sobre o interior
deste fungo. 

Imagem cortesia de Johanna
Höög, EMBL

S. pombe é tão essencial em investigação que foi, em 2002, o sexto organismo eucariota a ter a sequência completa do seu genoma publicada. Isto levou ao desenvolvimento de ferramentas mais poderosas para o estudo de S. pombe. Por exemplo, criou-se uma biblioteca de 3308 estirpes de S. pombe, cada uma sem um dos genes não essenciais à levedura. Além disso, cada proteína d S. pombe foi marcada com proteína fluorescente verde (GFP) (que fica verde brilhante sob luz ultravioleta), o que permitiu observar a sua localização exacta na célula ao microscópio de fluorescência. Estas ferramentas farão de S. pombe um ainda melhor organismo modelo na investigação da função genética (Yanagida, 2002).

Ainda não percebemos completamente de que modo processos como a divisão e o crescimento celular são controlados, e os controlos globais de crescimento celular estão particularmente mal esclarecidos. Com este simples organismo unicelular podemos aprender muito sobre processos complexos muito importantes no nosso desenvolvimento e sobre doenças como o cancro.

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References

Resources

  • Para mais informação sobre S. pombe e sobre como pode ser usada em investigação científica, visite PombeNet, um recurso produzido pelo Forsburg Lab na California
  • website do Cancer Research UK (investigação em cancro no Reino Unido) disponibiliza informação acessível sobre todos os principais tipos de cancro e sobre a investigação em curso
  • Para mais informação sobre como as mutações genéticas causam doenças, consultar:
  • Para uma actividade em sala de aula para discutir a ética no que toca a saber o que nos reservam os genes, incluindo a possibilidade de virmos a ter cancro, consultar:

Author(s)

Louise Weston fez o doutoramento na Universidade de Oxford, Reino Unido, sobre migração celular em células cancerosas humanas. Actualmente é bolseira de pós-doutoramento no Cancer Research UK (Investigação do Cancro, Reino Unido), e usa S. pombe no estudo do controlo de crescimento celular.


Review

Leveduras e fungos estão connosco, em nós, e à nossa volta. Os estudantes devem aprender sobre eles na escola. Os livros de texto recomendam manuseamento seguro no cultivo de fungos, mas muitas vezes não fornecem procedimentos experimentais detalhados. Pode explorar-se o uso de fungos na conservação e produção de alimentos como forma de despertar o interesse dos estudantes para o tópico.(Os professores devem evitar trabalhos práticos com bolores, mesmo em caixas de petri fechadas).

O uso de uma estirpe de levedura segura (p. ex. fazer pão com fermento, cerveja ou vinho) numa experiência bem definida pode encorajar os professores de biologia a dar aos alunos a oportunidade, não só de aprenderem bons hábitos de prática laboratorial, mas também de perceberem a razão da necessidade de seguir com rigor certos procedimentos e de registar correctamente as observações e os resultados antes de tirar conclusões. É desta forma que se deve abordar a prática científica em sala de aula, antes de apresentar aos alunos artigos exemplificativos de relatórios científicos. Os factos apresentados podem levar a um planeamento virtual de experiências usando o organismo modelo descrito. Da discussão do relatório nascerão novas ideias para pesquisas posteriores e para mais discussões na aula.


Friedlinde Krotscheck, Alemanha




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