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Sabe de nada, humano! Um genoma de planária desafia nosso entendimento de como a vida funciona

por Piter Kehoma Boll

Finalmente temos uma sequência consideravelmente completa de um genoma de planária, mais precisamente da planária Schmidtea mediterranea, a qual é um importante organismo-modelo para o estudo de células-tronco e regeneração.

Caso você não saiba, planárias possuem uma admirável capacidade de regeneração, de forma que até mesmo pedacinhos pequenos são capazes de se regenerar em um organismo completo. Elas são como um Wolverine da vida real, só que mais legais! Essa incrível habilidade é possível graças à presença de um grupo de células-tronco chamadas neoblastos que podem se diferenciar em qualquer tipo celular encontrado no corpo da planária. De fato, todas as células diferenciadas em planárias são incapazes de sofrer mitose, de forma que os neoblastos são responsáveis por constantemente repor células em todos os tecidos. Mas não estamos aqui para explicar os detalhes da regeneração de planárias. Estamos aqui para falar sobre o genoma de Schmidtea mediterranea!

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Olhe pra esses olhinhos vesgos dizendo “eu vou destruir tudo que vocês acham que sabem, humanos!”. Foto de Alejandro Sánchez Alvarado.*

Um genoma consideravelmente completo de S. mediterranea foi recentemente publicado e sua análise revela algumas características impressionantes.

Para começar, 61,7% do genoma de S. mediterranea é formado de elementos repetidos. Elementos repetidos são basicamente sequências de DNA que ocorrem em múltiplas cópias através do genoma de um organismo. Pensa-se que eles tenham origem em DNA de vírus que foi incorporado ao DNA do hospedeiro. Em humanos, cerca de 46% do genoma é composto de elementos repetidos. A maior parte dos elementos repetidos de S. mediterranea pertence a famílias não identificadas de retroelementos, assim sugerindo que eles são de famílias novas ainda não descritas. Essas repetições são muito longas, tendo mais de 30 mil pares de bases, algo não conhecido em outros animais. O único outro grupo de elementos repetidos com um tamanho similar é encontrado em plantas e conhecido como OGRE (Origin G-Rich Repeated Elements, algo como “elementos repetidos de origem ricos em G”). A longa repetição encontrada em Schmidtea foi então chamada de Burro (Big, unknown repeat rivaling Ogre, ou seja “repetição grande e desconhecida rivalizando com Ogre).

Mas certamente a coisa mais surpreendente sobre o genoma de S. mediterranea é a falta de muitos genes conservados que são encontrados na maioria dos eucariontes e que se pensava serem essenciais para as células funcionarem apropriadamente.

Schmidtea mediterranea não possui alguns genes responsáveis pelo reparo de quebras de cadeias duplas (DSBs, double-stranded breaks) no DNA, o que as tornaria muito suscetíveis a várias mutações e sensíveis a qualquer coisa que induza DSBs. Contudo, planárias são conhecidas por terem uma resistência extraordinária a radiação gama que induz DSBs. Elas possuem outros mecanismos de reparo ou nosso entendimento atual sobre o processo é falho?

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Vários genes “essenciais” e sua presença (em verde) ou ausência (em vermelho) em vários animais. Schmidtea mediterranea não possui nenhum deles. Imagem extraída de Grohme et al. (2018).*

Outro gene importante que não foi encontrado em S. mediterranea é o gene da Ácido Graxo Sintase (FASN, fatty acid synthase), que é essencial para um organismo sintetizar novos ácidos graxos. Planárias, portanto, dependeriam de lipídios adquiridos da dieta. Este gene também está ausente em platelmintos parasitas e a princípio se pensava ser uma adaptação ao parasitismo, mas como ele está ausente também em espécies de vida livre, esse não parece ser o caso. Seria uma sinapomorfia de platelmintos, isto é, um caractere que identifica esse clado de animais?

Isso não é o bastante pra pequena Schmidtea, no entanto. Mais do que isso, essa adorável planária parece não ter os genes MAD1 e MAD2, que são encontrados em virtualmente todos os eucariontes. Esses genes são responsáveis pelo Ponto de Controle da Assembleia do Fuso (SAC, Spindle Assembly Checkpoint), um passo importante durante a divisão celular que previne que as duas cópias de um cromossomo se separem antes que todos estejam conectados ao aparato do fuso. Isso garante que os cromossomos sejam distribuídos igualmente em ambas as células-filhas. Erros neste processo levam a aneuploidia (o número errado de cromossomos em cada célula-filha), que é a causa de algumas desordens genéticas como a síndrome de Down em humanos. Planárias não têm problema em distribuir seus cromossomos apropriadamente, então o que está acontecendo? Elas desenvolveram um novo modo de prevenir o caos celular ou, de novo, nosso atual entendimento sobre esse processo é falho?

Vamos esperar pelos próximos capítulos.

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Referência:

Grohme, M. A.; Schloissnig, S.; Rozanski, A.; Pippel, M.; Young, G. R.; Winkler, S.; Brandl, H.; Henry, I.; Dahl, A.; Powell, S.; Hiller, M.; Myers, E.; Rink, J. C. (2018). “The genome of Schmidtea mediterranea and the evolution of core cellular mechanisms”. Nature. doi:10.1038/nature25473

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Arquivado em Biologia Molecular, Evolução, platelmintos, vermes

Sexta Selvagem: Ameba-Gigante

por Piter Kehoma Boll

O adjetivo “gigante” pode ser bem relativo. Em relação a microrganismos, mesmo algo com poucos milímetros pode ser considerado um gigante, e esse é o caso com a ameba-gigante Chaos carolinense (às vezes erroneamente grafado como Chaos carolinensis).

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Uma bagunça caótica como toda boa ameba. Foto de Tsukii Yuuji.

Medindo até 5 mm de comprimento, a ameba-gigante é um organismo de água doce que é facilmente visto a olho nu e, visto que também é facilmente cultivado no laboratório, se tornou amplamente usado em estudos de laboratório.

Assim como acontece com as amebas em geral, a ameba-gigante tem uma célula irregular com vários pseudópodes que podem se contrair e expandir. A célula tem centenas de núcleos, como é comum com espécies do gênero Chaos, sendo esta a principal diferença entre elas e o gênero Amoeba, que é proximamente relacionado.

A dieta da ameba-gigante é variável e inclui bactérias, algas, protozoários e até alguns animais pequenos. No laboratório, elas geralmente são alimentadas com ciliados do gênero Paramecium.

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Um espécie de Chaos carolinense se alimentando de vários indivíduos de Paramecium. Foto de Carolina Biological Supply Company.*

A ameba-gigante não seria um belo ser unicelular de estimação?

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Referências:

Tan, O. L. L.; Almsherqi, Z. A. M.; Deng, Y. (2005) A simple mass culture of the amoeba Chaos carolinense: revisit. Protistology, 4(2): 185–190.

Wikipedia. Chaos (genus). Disponível e <https://en.wikipedia.org/wiki/Chaos_(genus) >. Acesso em 20 de junho de 2017.

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Sexta Selvagem: Antócero-do-campo

por Piter Kehoma Boll

Três semanas atrás a Sexta Selvagem trouxe um musgo, sendo aquela a terceira planta não-vascular apresentada. E antes de voltarmos às plantas vasculares, vamos dar uma olhada em outro camarada não-vascular da única divisão não-vascular que ainda não foi apresentada aqui, os antóceros.

A espécie que escolhi para começar a participação de antóceros é o antócero-do-campo, Anthoceros agrestis.

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Um pedaço de solo com o antócero-do-campo crescendo em cima. Foto do usuário BerndH do Wikimedia.*

Como outros antóceros, o antócero-do-campo tem uma fase gametófito dominante que aparece como uma planta achatada pequena crescendo bem perto do solo. O esporófito cresce sobre ele e tem a forma de um chifre vertical alongado, de onde o nome antócero (“chifre-flor”).

Encontrado na Europa e na América do Norte, o antócero-do-campo geralmente cresce em locais úmidos e está geralmente cercado de musgos. Seu gametófito tem algumas cavidades preenchidas de mucilagem que são o local favorito para espécies de cianobactérias do gênero Nostoc crescerem. Essa associação é o que faz os antóceros adquirirem seu tom ligeiramente azulado.

O antócero-do-campo tem o menor genoma de todas as plantas não-vasculares estudadas até o presente e por isso ele tem sido cultivado para servir como um interessante organismo-modelo.

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Referências:

EOL – Encyclopedia of life. Field Hornwort. Disponível em <http://eol.org/pages/399515/overview&gt;. Acesso em 18 de maio de 2017.

Szövényi, P., Frangedakis, E., Ricca, M., Quandt, D., Wicke, S., & Langdale, J. (2015). Establishment of Anthoceros agrestis as a model species for studying the biology of hornworts BMC Plant Biology, 15 (1) DOI: 10.1186/s12870-015-0481-x

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Sexta Selvagem: Musgo-da-terra-espalhado

por Piter Kehoma Boll

Se você ainda acha que musgos não são interessantes, talvez mude de ideia depois de conhecer o musgo-da-terra-espalhado, Physcomitrella patens.

Encontrado em regiões temperadas do mundo, exceto na América do Sul, mas mais comum na América do Norte e na Eurásia, o musgo-da-terra-espalhado cresce perto de corpos d’água, sendo uma das primeiras espécies a colonizar o solo exposto em torno de poças d’água. Apesar de amplamente distribuído, não é uma espécie comum.

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O musgo-da-terra-espalhado crescendo na lama. Foto de Hermann Schachner.

Desde o começo dos anos 1970, o musgo-da-terra-espalhado vem sendo usado como organismo modelo, especialmente em relação a manipulação de genes. Diferente do que ocorre em plantas vasculares, a fase dominante em musgos é o gametófito, um organismo haploide, o que significa que ele tem apenas uma cópia de cada cromossomo nas células. Essa é uma condição ideal para o estudo da expressão de genes, já que a ativação e desativação de um gene não é mascarada por um segundo em outra cópia do cromossomo na mesma célula.

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Physcomitrella patens crescendo no laboratório. Créditos ao laboratório de Ralf Reski.*

Ao controlar a expressão gênica no musgo-da-terra-espalhado, pesquisadores podem traçar o papel de cada um deles no desenvolvimento da planta. Comparar esses dados com o que é conhecido de plantas com flores pode levar a um melhor entendimento de como o reino das plantas evoluiu.

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Referências:

Cove, D. (2005). The Moss Physcomitrella patens Annual Review of Genetics, 39 (1), 339-358 DOI: 10.1146/annurev.genet.39.073003.110214

Schaefer, D. (2001). The Moss Physcomitrella patens, Now and Then PLANT PHYSIOLOGY, 127 (4), 1430-1438 DOI: 10.1104/pp.127.4.1430

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Sexta Selvagem: Pulgão-da-ervilha

por Piter Kehoma Boll

Algum tempo atrás apresentei um organismo modelo, o besouro-castanho, e esta semana introduzirei mais um. Seu nome é Acyrthosiphon pisum, comumente conhecido como pulgão-da-ervilha ou piolhão-da-ervilha.

Um pulgão-da-ervilha adulto e duas ninfas. Foto de Shipher Wu.*

Um pulgão-da-ervilha adulto e duas ninfas. Foto de Shipher Wu.*

Como de praxe com organismos modelo, o pulgão-da-ervilha tem sido estudado a fundo e, portanto, muitas coisas curiosas foram estudadas e descobertas nele. Como um pulgão típico, ele se alimenta de seiva, especialmente de legumes (família Fabaceae), incluindo muitas plantas cultivadas para alimentação, como a ervilha, de onde o nome. Como resultado, ele é uma praga agrícola de grande importância mundialmente.

O ciclo de vida dos pulgões-da-ervilha é bem incomum, apesar de não ser muito diferente da maioria dos pulgões. A maior parte da população é composta de fêmeas partenogenéticas, isto é, fêmeas que se reproduzem produzindo filhotes sem sexo. Estas fêmeas partenogenéticas dão à luz ninfas vivas, não depositando ovos, assim são geralmente chamadas de fêmeas partenogenéticas vivípadas. Durante o outono, o aumento do comprimento da noite ativa a produção de uma única geração de indivíduos sexuais, tanto machos quanto fêmeas, por fêmeas partenogenéticas. Machos e fêmeas sexuais então acasalam e as fêmeas põem ovos fertilizados dos quais novas fêmeas partenogenéticas emergirão.

Pulgões-da-ervilha geralmente não possuem asas, mas quando a comida se torna escassa eles podem produzir indivíduos alados que voam para novas fontes de alimento e colonizam uma planta hospedeira nova. Um ciclo de vida tão complexo faz com que eles sejam bons modelos para estudos de reprodução.

Outra área na qual o pulgão-da-ervilha é um bom modelo é o estudo de simbiose com bactérias. A bactéria Buchnera aphidicola é conhecida por viver na hemocele (a cavidade corporal na qual se encontra a hemolinfa, o “sangue” dos insetos) dos pulgões e fornece muitos aminoácidos essenciais. Várias outras bactérias podem ser encontradas vivendo dentro dos pulgões e são capazes de influenciar profundamente a fisiologia do inseto.

O pulgão-da-ervilha é um dos poucos animais conhecidos capazes de produzir carotenoides, pigmentos orgânicos geralmente produzidos por bactérias e plantas (na verdade seus cloroplastos, que são na verdade bactérias endossimbiontes). Esta habilidade pode ter sido obtida por transferência de genes bacterianos para o genoma do pulgão. Algum tempo atrás, demonstrou-se que os pulgões-da-ervilha podem usar estes carotenoides para produzir ATP (moléculas armazenadores de energia) a partir da luz do sol, um processo similar a um tipo de precursor muito primitivo da fotossíntese. Não pode-se considerar isso como fotossíntese real porque não há produção (síntese) de moléculas orgânicas usando dióxido de carbono.

De qualquer forma, o pulgão-da-ervilha é não obstante uma criaturinha impressionante.

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Referências:

Chen, D.-Q.; Montlor, C. B. 2000. Fitness effects of two facultative endosymbiotic bacteria on the pea aphid, Acyrthosiphon pisum, and the blue alfafa aphid, A. kondoi. Entomologia Experimentalis et Applicata, 95 (3): 315-323.

Valmalette, J. C.; Dombrovsky, A.; Brat, P.; Mertz, C.; Capovilla, M.; Robichon, A. 2012. Light-induced electon transfer and ATP synthesis in a carotene synthesizing insect. Scientific Reports, 2: 579.

Wikipedia. Acyrthosiphon pisum. Available at: < https://en.wikipedia.org/wiki/Acyrthosiphon_pisum >. Access on June 10, 2015.

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