Explorando a diversidade na divisão celular:estudo investiga o processo de evolução que suporta diversos ciclos de vida
C. perkinsii sofre mitose aberta. Crédito:Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07430-z Uma nova investigação realizada por cientistas do EMBL mostra como diferentes modos de divisão celular utilizados por animais e fungos podem ter evoluído para suportar diversos ciclos de vida.
A divisão celular é um dos processos mais fundamentais da vida. Das bactérias às baleias azuis, todos os seres vivos da Terra dependem da divisão celular para o crescimento, a reprodução e a sobrevivência das espécies. No entanto, existe uma diversidade notável na forma como diferentes organismos realizam este processo universal.
Um novo estudo do grupo Dey da EMBL Heidelberg e seus colaboradores, publicado recentemente na Nature , explora como diferentes modos de divisão celular evoluíram em parentes próximos de fungos e animais, demonstrando, pela primeira vez, a ligação entre o ciclo de vida de um organismo e a forma como suas células se dividem.
Apesar de partilharem um ancestral comum há mais de mil milhões de anos, os animais e os fungos são semelhantes em muitos aspectos. Ambos pertencem a um grupo mais amplo chamado “eucariotos” – organismos cujas células armazenam seu material genético dentro de um compartimento fechado chamado “núcleo”. Os dois diferem, no entanto, na forma como realizam muitos processos fisiológicos, incluindo o tipo mais comum de divisão celular – a mitose.
A maioria das células animais sofre mitose "aberta", na qual o envelope nuclear - a membrana de duas camadas que separa o núcleo do resto da célula - se rompe quando a divisão celular começa. No entanto, a maioria dos fungos utiliza uma forma diferente de divisão celular – chamada mitose “fechada” – na qual o envelope nuclear permanece intacto durante todo o processo de divisão.
Muito pouco se sabe sobre por que ou como esses dois modos distintos de divisão celular evoluíram e quais fatores determinam qual modo seria predominantemente seguido por uma espécie específica.
Esta questão chamou a atenção dos cientistas do Grupo Dey da EMBL Heidelberg, que investigam as origens evolutivas do núcleo e da divisão celular.
“Ao estudar a diversidade entre os organismos e reconstruir como as coisas evoluíram, podemos começar a perguntar se existem regras universais que fundamentam o funcionamento desses processos biológicos fundamentais”, disse Gautam Dey, líder do grupo EMBL Heidelberg.
Em 2020, durante o confinamento provocado pela COVID-19, um caminho inesperado para responder a esta questão surgiu das discussões entre o grupo de Dey e a equipa de Omaya Dudin no Instituto Federal Suíço de Tecnologia (EPFL), em Lausanne. Dudin é especialista em um grupo incomum de protistas marinhos – Ichthyosporea. Os Ichthyosporea estão intimamente relacionados com fungos e animais, com diferentes espécies mais próximas de um ou outro grupo na árvore genealógica evolutiva.
Os grupos Dey e Dudin, em colaboração com o grupo de Yannick Schwab na EMBL Heidelberg, decidiram investigar as origens da mitose aberta e fechada usando Ichthyosporea como modelo. Curiosamente, os investigadores descobriram que certas espécies de Ichthyosporea sofrem mitose fechada, enquanto outras sofrem mitose aberta. Portanto, comparando e contrastando a sua biologia, eles poderiam obter insights sobre como os organismos se adaptam e usam esses dois modos de divisão celular.
Hiral Shah, um bolsista do EIPOD que trabalha nos três grupos, liderou o estudo. "Tendo reconhecido muito cedo que os Ichthyosporea, com os seus muitos núcleos e posição evolutiva chave entre animais e fungos, eram adequados para abordar esta questão, ficou claro que isso exigiria reunir a experiência biológica e técnica celular do Dey, Dudin , e grupos Schwab, e foi exatamente isso que a bolsa EIPOD me permitiu fazer", disse Shah.
Ao investigar de perto os mecanismos de divisão celular em duas espécies de Ichthyosporeans, os pesquisadores descobriram que uma espécie, S. arctica, favorece a mitose fechada, semelhante aos fungos. S. arctica também tem um ciclo de vida com um estágio multinucleado, onde existem muitos núcleos dentro da mesma célula - outra característica compartilhada com muitas espécies de fungos, bem como com os estágios embrionários de certos animais, como as moscas-das-frutas.
Outra espécie, C. perkinsii, revelou-se muito mais parecida com um animal, dependendo da mitose aberta. Seu ciclo de vida envolve principalmente estágios mononucleados, onde cada célula possui um único núcleo.
"Nossas descobertas levaram à inferência chave de que a forma como as células animais realizam a mitose evoluiu centenas de milhões de anos antes dos animais. O trabalho, portanto, tem implicações diretas para a nossa compreensão geral de como os mecanismos de divisão celular eucariótica evoluem e se diversificam no contexto da vida diversa. ciclos e fornece uma peça-chave do quebra-cabeça das origens dos animais", disse Dey.
O estudo combinou experiência em filogenética comparativa, microscopia eletrônica (do Grupo Schwab e da instalação central de microscopia eletrônica (EMCF) na EMBL Heidelberg) e microscopia de expansão ultraestrutural, uma técnica que envolve a incorporação de amostras biológicas em um gel transparente e sua expansão física.
Além disso, Eelco Tromer, da Universidade de Groningen, na Holanda, e Iva Tolic, do Instituto Ruđer Bošković em Zagreb, Croácia, forneceram conhecimentos em genómica comparativa e geometria e biofísica do fuso mitótico, respetivamente.
"A primeira vez que vimos um núcleo expandido de S. arctica, sabíamos que esta técnica mudaria a forma como estudamos a biologia celular de organismos não-modelo", disse Shah, que trouxe de volta a técnica de microscopia de expansão para o EMBL Heidelberg após uma passagem pela o laboratório Dudin.
Dey concorda:"Um avanço importante neste estudo veio com nossa aplicação de microscopia de expansão ultraestrutural (U-ExM) à análise do citoesqueleto ictiosporiano. Sem U-ExM, a imunofluorescência e a maioria dos protocolos de rotulagem de corantes não funcionam neste grupo pouco estudado de holozoários marinhos."
Este estudo também demonstra a importância de ir além da pesquisa tradicional de organismos modelo ao tentar responder a questões biológicas amplas, e os insights potenciais que futuras pesquisas sobre sistemas ictiosporianos podem revelar.
“O desenvolvimento dos ictiosporos apresenta uma diversidade notável”, disse Dudin. “Por um lado, várias espécies exibem padrões de desenvolvimento semelhantes aos dos primeiros embriões de insetos, apresentando estágios multinucleados e celularização sincronizada.
"Por outro lado, C. perkinsii sofre divisão de clivagem, quebra de simetria e forma colônias multicelulares com tipos de células distintos, semelhante à 'visão canônica' dos primeiros embriões animais. Essa diversidade não só ajuda na compreensão do caminho até os animais, mas também oferece uma oportunidade fascinante para a embriologia comparativa fora dos animais, o que é, por si só, muito emocionante."
A interdisciplinaridade inerente ao projecto serviu não só como um bom teste para este tipo de investigação colaborativa, mas também para a formação pós-doutoral única proporcionada no EMBL.
"O projeto de Hiral ilustra bem a virtude do programa EIPOD:um projeto verdadeiramente interdisciplinar, que combina biologia inovadora com métodos avançados, contribuindo todos para um desenvolvimento pessoal verdadeiramente espetacular", disse Schwab. "Nós (como mentores) testemunhamos o nascimento de um cientista forte e isso é realmente gratificante."
Os grupos Dey, Dudin e Schwab também colaboram atualmente no projeto PlanExM, parte da expedição TREC – uma iniciativa liderada pelo EMBL para explorar e recolher amostras da biodiversidade ao longo das costas europeias. PlanExM visa aplicar microscopia de expansão para estudar a diversidade ultraestrutural de protistas marinhos diretamente em amostras ambientais.
“O projeto surgiu da constatação de que o U-ExM será um divisor de águas para a protistologia e a microbiologia marinha”, disse Dey. Com este projecto, bem como outros actualmente em curso, a equipa de investigação espera lançar mais luz sobre a diversidade da vida na Terra e a evolução dos processos biológicos fundamentais.
