Um estudo liderado por cientistas da Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) e da Universidade de Kent descobre como a estrutura tridimensional do genoma das células germinativas masculinas determina como os genomas evoluem ao longo do tempo. Publicado em Nature Communications e realizado em espécies de roedores, o estudo mostra que os eventos distintos que ocorrem durante a produção de óvulos e espermatozóides têm um impacto diferente na evolução do genoma e abre novos caminhos de pesquisa sobre a origem genética da estrutura do genoma em todos os organismos.
A comparação de genomas em muitas espécies de mamíferos diferentes mostra que, embora todas as espécies tenham um catálogo de genes amplamente semelhante, eles são organizados em uma ordem diferente para cada espécie e podem ser desativados e ativados de maneira diferente. Esses rearranjos podem afetar a função e a regulação dos genes e, portanto, desempenham um papel nas mudanças evolutivas e na definição da identidade das espécies. Até agora, a origem final desses rearranjos tem sido um mistério:onde (em quais tipos de células) e quando (durante o desenvolvimento) eles surgem? Eles surgem como um subproduto do rearranjo normal de genes entre as cópias dos cromossomos que ocorre durante a meiose, o processo celular para produzir gametas (oócitos e espermatozoides), ou em algum outro estágio do ciclo de vida?

Agora, um estudo liderado por cientistas da Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) e da Universidade de Kent mostra que a produção de esperma é a chave para como as regiões do genoma são reorganizadas dentro e entre os cromossomos durante a evolução. Em particular, os rearranjos cromossômicos herdados estão associados a processos físicos e bioquímicos específicos dos estágios finais da produção de espermatozoides, após a conclusão das divisões celulares meióticas.

A sequência total de DNA ou genoma de um indivíduo é dobrada em uma estrutura de cromatina 3D especificamente adaptada e dinâmica dentro dos núcleos da célula, que determina quais genes são "ligados" e quais são "desligados" em cada tipo de célula. Os gametas são produzidos por todos os organismos que se reproduzem sexualmente através de um processo chamado meiose, que envolve uma rodada de replicação do genoma seguida por duas divisões celulares consecutivas, para deixar células haploides (gametas) carregando apenas uma cópia de cada cromossomo. Durante a meiose, os genes são "embaralhados" entre as cópias cromossômicas herdadas da mãe e do pai, um processo conhecido como recombinação genética. Esses eventos complexos implicam que o genoma deve ser empacotado e desempacotado de maneira precisa e altamente regulada na cromatina.

"Nosso trabalho mostra que a dinâmica da remodelação da cromatina durante a formação dos gametas masculinos é fundamental para entender quais partes do genoma estão localizadas próximas umas das outras dentro do núcleo e, portanto, são mais propensas a estarem envolvidas em rearranjos cromossômicos, em diferentes momentos ao longo do tempo. espermatogênese masculina", diz a Dra. Aurora Ruiz-Herrera, Professora Associada do Departamento de Biologia Celular, Fisiologia e Imunologia do Instituto de Biotecnologia e Biomedicina (IBB) da UAB.

Analisando rearranjos de genoma em roedores

Para estudar a evolução do genoma, a equipe comparou os genomas de 13 espécies de roedores diferentes e "desembaralhou" os rearranjos que os distinguiam. "Isso nos permitiu descobrir a configuração do genoma do ancestral comum do roedor e determinar as localizações das regiões do ponto de interrupção evolutivo (EBRs) que participam dos rearranjos do genoma", explica a Dra. Marta Farré, professora de genômica na Escola de Biociências da Universidade de Kent, e co-líder do estudo.

"Curiosamente, os EBRs foram associados a regiões que estão ativas em estágios posteriores da espermatogênese, quando as células germinativas masculinas em desenvolvimento são chamadas de espermátides. núcleo", diz o Dr. Peter Ellis, Professor Sênior em Genética Molecular e Reprodução na Escola de Biociências da Universidade de Kent, e co-líder do estudo.

Além disso, EBRs não foram associados a hotspots de recombinação meiótica - indicando que esses rearranjos provavelmente não ocorreram durante a meiose em machos ou fêmeas. Em vez disso, os EBRs foram correlacionados com locais de danos ao DNA em espermátides.

As espermátides são células passando pelo estágio final de desenvolvimento do esperma, após o término da divisão celular – e os eventos que ocorrem durante esse processo são específicos do sexo masculino. Isso, portanto, traz a surpreendente implicação de que machos e fêmeas não são iguais em termos de impacto na evolução do genoma. "De todos os rearranjos que distinguem um camundongo de um rato, um esquilo ou um coelho, a maioria parece ter surgido em um espermatozóide em vez de um óvulo. Para mim, isso mostra que a linhagem germinativa masculina é o motor geral da evolução estrutural do genoma", diz o Dr. Ellis.

"Mostramos que os espermatozóides em desenvolvimento retêm uma 'memória' das configurações anteriores do genoma. Existem trechos de DNA que costumavam fazer parte de um único cromossomo no ancestral comum de roedores, mas agora estão localizados em cromossomos diferentes no camundongo - mas ainda se aproximam entre si e fazer contato físico especificamente no desenvolvimento de espermatozóides", diz a Dra. Marta Farré.

Por que nas células germinativas masculinas?

Os autores propõem que uma explicação para seus resultados são os diferentes eventos que ocorrem durante a produção de óvulos e espermatozóides. Enquanto os espermatozóides e óvulos reorganizam o DNA durante a meiose, as quebras de DNA criadas durante esse processo são reparadas com alta precisão. No entanto, os espermatozoides também precisam compactar seu DNA em um volume minúsculo para caber na cabeça do esperma. Essa compactação causa quebras de DNA e usa um método propenso a erros para reparar o DNA. Alguns desses erros podem gerar rearranjos genômicos – explicando por que o desenvolvimento do esperma é um fator crítico na evolução do genoma.

Por outro lado, um mistério ainda não resolvido é por que algumas espécies têm genomas muito estáveis ​​com poucos rearranjos, enquanto outras têm genomas altamente dinâmicos com múltiplos rearranjos. "Nosso trabalho sugere que isso pode ser devido aos detalhes de onde e quando o DNA é quebrado e reparado durante a produção de esperma", diz Dr. Ruiz-Herrera.

While the study was carried out in rodents, spermatogenesis is a highly conserved process, and therefore this principle is likely to apply widely throughout the tree of life, researchers point out.

Participating in this study led by the UAB and University of Kent were also the research teams from Josep Carreras Leukaemia Research Institute (IJC) and Sequentia Biotech.