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

Os genomas reúnem a biblioteca completa de informação necessária para construir e manter um organismo vivo - o equivalente figurado às plantas da vida.

Nos eucariotas, os genomas ficam guardados no interior dos núcleos, onde se encontram organizados em cromossomas. Um eucariota é um organismo cujas células possuem um núcleo rodeado por uma membrana: plantas, animais, fungos e muitos microrganismos são eucariotas.

No ser humano, por exemplo, o genoma está distribuído por 23 cromossomas, e cada um contém uma parte do código genético total.

Até há pouco tempo, assumia-se sempre que cada núcleo incluía, pelo menos, um conjunto completo de cromossomas - e, por isso, vigorava a regra de “um núcleo, um genoma completo”.

No entanto, a nossa investigação mostrou que, em duas espécies de fungos, o genoma pode ser repartido por vários núcleos, recebendo cada núcleo apenas uma fração do conjunto total de cromossomas.

Uma descoberta surpreendente sobre Sclerotinia sclerotiorum

No nosso laboratório, na Universidade da Colúmbia Britânica, estudamos o fungo Sclerotinia sclerotiorum, um agente patogénico do solo que provoca podridão do caule ou bolor branco em várias culturas agrícolas, incluindo canola, soja e girassol.

Apesar do impacto em culturas de elevado valor económico, a genética e a biologia celular de S. sclerotiorum continuam pouco esclarecidas.

Ao tentarmos compreender melhor a biologia deste fungo, deparámo-nos com uma constatação inesperada sobre a forma como os 16 cromossomas de S. sclerotiorum se organizam durante a divisão celular e a reprodução.

A maioria das células eucariotas é diploide, o que significa que o núcleo contém duas cópias de cada cromossoma distinto. Em muitos fungos - como a levedura de padeiro - a reprodução inicia-se quando uma célula parental diploide se divide para formar células esporais haploides, cada uma com um núcleo que aloja uma única cópia de cada cromossoma.

Contudo, os esporos de S. sclerotiorum, conhecidos como ascósporos, incluem dois núcleos separados em cada espora. Anteriormente, partia-se do princípio de que cada núcleo era haploide e continha o conjunto completo dos 16 cromossomas. Se assim fosse, cada ascósporo teria 32 cromossomas no total, à semelhança de uma célula diploide.

Com microscopia de fluorescência, conseguimos contar diretamente quantos cromossomas existem num único ascósporo. De forma notável, observámos de modo consistente apenas 16 cromossomas por ascósporo, o que contraria os 32 que seriam esperados segundo a teoria vigente de “um núcleo, um genoma completo”.

Além disso, recorrendo a sondas fluorescentes para marcar cromossomas específicos, verificámos que os dois núcleos de um ascósporo não contêm os mesmos cromossomas. Em vez de cada núcleo transportar um conjunto completo, os ascósporos apresentam um único conjunto de 16 cromossomas repartido entre dois núcleos.

Uma distribuição irregular

A questão seguinte foi perceber se estes 16 cromossomas são distribuídos ao acaso pelos dois núcleos, ou se a separação do genoma obedece a um padrão regular.

Para responder, isolámos núcleos individuais e identificámos quais os cromossomas presentes através de análises por reação em cadeia da polimerase (PCR). Constatámos que a composição cromossómica varia entre núcleos, o que indica que a divisão dos cromossomas entre núcleos ocorre de forma irregular.

Este resultado levou-nos a investigar se algo semelhante poderia acontecer noutros fungos. Botrytis cinerea é outra espécie de fungo fitopatogénico da mesma família de S. sclerotiorum.

Ao contrário dos ascósporos de S. sclerotiorum, que tipicamente apresentam dois núcleos, B. cinerea produz esporos conidiais que, em geral, possuem quatro a seis núcleos. Aplicando métodos semelhantes, observámos que os 18 cromossomas do genoma de B. cinerea também se encontram repartidos por núcleos, sendo comum cada núcleo transportar cerca de três a oito cromossomas.

Esta evidência demonstra que a “fragmentação” do genoma haploide por vários núcleos ocorre em múltiplos fungos fitopatogénicos. Ainda assim, é necessária investigação adicional para determinar se este fenómeno está mais disseminado por outras famílias de fungos, ou mesmo por outros eucariotas.

Um mecanismo desconhecido

A constatação de que os genomas haploides de S. sclerotiorum e B. cinerea se encontram divididos entre núcleos levanta novas perguntas sobre o papel desta separação no restante ciclo de vida destes fungos.

Para originarem a geração seguinte, estes fungos têm de voltar a formar uma célula diploide com o conjunto completo de cromossomas, a partir da qual poderão ser produzidos novos ascósporos. Em princípio, isso exige a fusão de núcleos com cromossomas complementares, de modo a reunificar o genoma. Como é que estes fungos garantem, então, que se fundem os núcleos certos?

A explicação mais simples seria a seleção por viabilidade: os núcleos poderiam fundir-se aleatoriamente, mas apenas aqueles que reconstruíssem um genoma completo gerariam ascósporos viáveis.

Isto parece pouco eficiente; por isso, um cenário mais apelativo seria a existência de alguma estrutura ou mecanismo que mantivesse juntos os núcleos complementares após a divisão inicial, permitindo que se reconstituíssem com facilidade mais tarde no ciclo de vida do fungo.

Esperamos que o nosso trabalho futuro ajude a responder a estas questões cativantes e a alargar a compreensão das dinâmicas fundamentais dos núcleos e dos seus genomas.

Este avanço no entendimento poderá permitir revoluções dramáticas na edição genética, ao dar aos investigadores a capacidade de manipular cromossomas e núcleos conforme necessário.

Xin Li, Professor, Botânica, Universidade da Colúmbia Britânica; Edan Jackson, Estudante de Doutoramento, Botânica, Universidade da Colúmbia Britânica; e Josh Li, Estudante de Mestrado, Medicina, Universidade da Colúmbia Britânica

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