Cientistas descobrem fungos que desafiam a regra de “um núcleo, um genoma”.

Genomas reúnem toda a biblioteca de informações necessária para formar e manter um organismo vivo - uma espécie de planta arquitetónica da vida.

Nos eucariotos, os genomas ficam guardados no núcleo das células e são arranjados em cromossomos. Eucariotos são organismos cujas células têm um núcleo envolvido por uma membrana: plantas, animais, fungos e muitos microrganismos pertencem a esse grupo.

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

Até pouco tempo, partia-se do pressuposto de que todo núcleo contém pelo menos um conjunto completo de cromossomos - daí a regra de “um núcleo, um genoma completo”.

No entanto, o nosso estudo mostrou que, em duas espécies de fungos, o genoma pode ser repartido entre vários 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 agrícolas, incluindo canola, soja e girassol.

Apesar do prejuízo que causa em culturas comerciais, ainda se sabe relativamente pouco sobre a genética e a biologia celular de S. sclerotiorum.

Ao tentarmos compreender melhor a biologia desse fungo, chegamos a um achado inesperado sobre como os 16 cromossomos de S. sclerotiorum se organizam durante a divisão celular e a reprodução.

A maioria das células eucarióticas é diploide, o que significa que o núcleo tem duas cópias de cada tipo de cromossomo. Em muitos fungos - como a levedura de panificação - a reprodução começa quando uma célula-mãe diploide se divide e origina esporos haploides, com um núcleo contendo uma cópia de cada cromossomo.

Com S. sclerotiorum, porém, os esporos - chamados de ascósporos - trazem dois núcleos separados. Antes, assumia-se que cada núcleo era haploide, com o conjunto completo dos 16 cromossomos. Se isso fosse verdade, cada ascósporo teria 32 cromossomos no total, algo comparável a uma célula diploide.

Usando microscopia de fluorescência, conseguimos contar diretamente quantos cromossomos havia em um único ascósporo. De forma notável, observamos repetidamente apenas 16 cromossomos por ascósporo, contrariando os 32 que seriam esperados pela teoria vigente de “um núcleo, um genoma completo”.

Além disso, aplicamos sondas fluorescentes para marcar cromossomos específicos e verificamos que os dois núcleos dentro de um ascósporo carregam cromossomos diferentes. Ou seja: em vez de cada núcleo conter um conjunto inteiro, os ascósporos possuem um único conjunto de 16 cromossomos repartido entre dois núcleos.

Uma distribuição irregular

A pergunta seguinte foi se esses 16 cromossomos seriam distribuídos aleatoriamente entre os dois núcleos, ou se haveria um padrão fixo nessa divisão do genoma.

Para testar isso, isolamos núcleos individuais e identificamos quais cromossomos estavam presentes por meio de análise de reação em cadeia da polimerase (PCR). O que vimos foi que a composição cromossômica muda de um núcleo para outro, o que indica que a separação dos cromossomos entre núcleos ocorre de maneira irregular.

Com esse resultado, passamos a explorar se algo semelhante também acontecia em outros fungos. Botrytis cinerea é outra espécie de fungo fitopatogénico da mesma família de S. sclerotiorum.

Em vez de formar esporos com dois núcleos, como tipicamente se observa nos ascósporos de S. sclerotiorum, B. cinerea produz esporos conidiais que, em geral, têm de quatro a seis núcleos. Ao aplicarmos métodos equivalentes, constatamos que os 18 cromossomos do genoma de B. cinerea também ficam repartidos entre os núcleos, e cada núcleo costuma carregar de três a oito cromossomos.

Essa constatação sugere que a “divisão” de um genoma haploide por múltiplos núcleos ocorre em mais de um fungo fitopatogénico. Ainda assim, são necessários mais estudos para saber se esse fenómeno é comum em outras famílias de fungos - ou mesmo em outros eucariotos.

Um mecanismo ainda desconhecido

O facto de os genomas haploides de S. sclerotiorum e B. cinerea estarem divididos entre núcleos levanta novas dúvidas sobre como essa separação influencia o restante do ciclo de vida desses fungos.

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

Talvez a explicação mais simples seja a seleção por viabilidade: os núcleos poderiam fundir-se ao acaso, mas apenas aqueles que resultassem em um genoma completo gerariam ascósporos viáveis.

Essa possibilidade parece pouco eficiente, e um cenário mais convincente envolveria alguma estrutura ou mecanismo capaz de manter núcleos complementares próximos após a divisão inicial, para que possam recompor o genoma com facilidade mais adiante no ciclo de vida do fungo.

Esperamos que os nossos próximos trabalhos esclareçam essas questões intrigantes e ampliem o entendimento sobre a dinâmica fundamental dos núcleos e dos seus genomas.

Esse avanço de compreensão também poderá viabilizar revoluções expressivas na edição genética, permitindo que pesquisadores manipulem cromossomos e núcleos de forma controlada.

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

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