Alterações cromossômicas evolutivas podem levar um milhão de anos na natureza, mas os pesquisadores agora estão relatando uma nova técnica que permite a fusão de cromossomos programáveis ​​que produziu com sucesso camundongos com alterações genéticas que ocorrem em uma escala evolutiva de um milhão de anos em laboratório. O resultado pode fornecer insights críticos sobre como os rearranjos de cromossomos – os pacotes organizados de genes organizados, fornecidos em igual número de cada pai, que se alinham e trocam ou combinam características para produzir descendentes – influenciam a evolução.
Nos resultados publicados hoje na Science , os pesquisadores revelam que a engenharia em nível de cromossomo pode ser alcançada em mamíferos, e eles derivaram com sucesso um camundongo de laboratório com cariótipo novo e sustentável, fornecendo informações críticas sobre como os rearranjos cromossômicos podem influenciar a evolução.

"O rato doméstico de laboratório manteve um cariótipo padrão de 40 cromossomos - ou a imagem completa dos cromossomos de um organismo - após mais de 100 anos de reprodução artificial", disse o co-primeiro autor Li Zhikun, pesquisador da Academia Chinesa de Ciências (CAS ) Instituto de Zoologia e Laboratório Chave do Estado de Células-Tronco e Biologia Reprodutiva. "Em escalas de tempo mais longas, no entanto, as alterações do cariótipo causadas por rearranjos cromossômicos são comuns. Os roedores têm 3,2 a 3,5 rearranjos por milhão de anos, enquanto os primatas têm 1,6."

Essas pequenas mudanças podem ter grandes impactos, de acordo com Li. Nos primatas, as mudanças de 1,6 são a diferença entre humanos e gorilas. Os gorilas têm dois cromossomos separados, enquanto nos humanos eles são fundidos, e uma translocação entre os cromossomos humanos ancestrais produziu dois cromossomos diferentes nos gorilas. Em nível individual, fusões ou translocações podem levar a cromossomos ausentes ou extras ou mesmo a doenças como a leucemia infantil.

Embora a confiabilidade consistente dos cromossomos seja boa para entender como as coisas funcionam em uma escala de tempo curta, a capacidade de projetar mudanças pode informar o entendimento genético ao longo de milênios, incluindo como corrigir cromossomos desalinhados ou malformados, disse Li. Outros pesquisadores projetaram cromossomos com sucesso em leveduras, mas as tentativas de transferir as técnicas para os mamíferos não foram cumpridas.

De acordo com o co-primeiro autor Wang Libin, pesquisador do CAS e do Instituto de Células-Tronco e Medicina Regenerativa de Pequim, a dificuldade é que o processo requer a derivação de células-tronco de embriões de camundongos não fertilizados, o que significa que as células contêm apenas um conjunto de cromossomos. Nas células diplóides, existem dois conjuntos de cromossomos que se alinham e negociam a genética do organismo resultante. Chamado de imprinting genômico, é aqui que um gene dominante pode ser marcado como ativo, enquanto um gene recessivo é marcado como inativo. O processo pode ser manipulado cientificamente, mas a informação não ficou presa em tentativas anteriores em células de mamíferos.

"A impressão genômica é frequentemente perdida, o que significa que a informação sobre quais genes devem estar ativos desaparece, em células-tronco embrionárias haploides, limitando sua pluripotência e engenharia genética", disse Wang. "Nós descobrimos recentemente que, ao excluir três regiões impressas, poderíamos estabelecer um padrão de impressão estável semelhante ao esperma nas células".

Sem as três regiões naturalmente impressas, o padrão de impressão projetado pelos pesquisadores poderia se firmar, permitindo que eles fundissem cromossomos específicos. Eles o testaram fundindo dois cromossomos de tamanho médio - 4 e 5 - da cabeça à cauda e os dois cromossomos maiores - 1 e 2 - em duas orientações, resultando em cariótipos com três arranjos diferentes.

"As formações iniciais e a diferenciação das células-tronco foram minimamente afetadas; no entanto, os cariótipos com 1 e 2 cromossomos fundidos resultaram em um desenvolvimento interrompido", disse Wang. "O cromossomo fundido menor composto pelos cromossomos 4 e 5 foi passado com sucesso para a prole."

Os cariótipos com o cromossomo 2 fundido ao topo do cromossomo 1 não levaram a nenhum filhote de camundongo a termo, enquanto o arranjo oposto produziu filhotes que se tornaram adultos maiores, mais ansiosos e fisicamente mais lentos, em comparação com os camundongos com 4 e 5 cromossomos. Apenas os camundongos com 4 e 5 cromossomos fundidos foram capazes de produzir descendentes com camundongos do tipo selvagem, mas a uma taxa muito menor do que os camundongos de laboratório padrão.

Os pesquisadores descobriram que a fertilidade enfraquecida resultou de uma anormalidade na forma como os cromossomos se separaram após o alinhamento, disse Wang. Ele explicou que essa descoberta demonstrou a importância do rearranjo cromossômico para estabelecer o isolamento reprodutivo, que é um sinal evolutivo chave do surgimento de uma nova espécie.

"Alguns camundongos de engenharia mostraram comportamento anormal e supercrescimento pós-natal, enquanto outros exibiram diminuição da fecundidade, sugerindo que, embora a mudança de informação genética fosse limitada, a fusão de cromossomos de animais poderia ter efeitos profundos", disse Li. "Usando uma plataforma de células-tronco embrionárias haploides fixadas por impressão e edição de genes em um modelo de camundongo de laboratório, demonstramos experimentalmente que o evento de rearranjo cromossômico é a força motriz por trás da evolução das espécies e importante para o isolamento reprodutivo, fornecendo uma rota potencial para a engenharia em larga escala de DNA em mamíferos." + Explorar mais

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