O painel superior mostra a configuração não-Rabl. Centrômeros em magenta dispersos em núcleos em verde. O painel inferior mostra a configuração do Rabl. Centrômeros distribuídos desigualmente nos núcleos. Crédito: Sachihiro Matsunaga, Universidade de Tóquio
Biólogos descobrem mecanismo que molda a distribuição do centrômero.
Desde o século XIX, os cientistas observaram a configuração dos centrômeros, uma região cromossômica especial que é vital para a divisão celular, no núcleo da célula. No entanto, até agora, os mecanismos determinantes e o significado biológico da distribuição dos centrômeros eram pouco compreendidos. Recentemente, pesquisadores propuseram um mecanismo regulatório de duas etapas que molda a distribuição do centrômero. Suas descobertas também indicam que a configuração do centrômero no núcleo desempenha um papel na manutenção da integridade do genoma.
Os resultados foram publicados hoje (1 de agosto de 2022) na revista Plantas da Natureza. O estudo foi liderado por pesquisadores da Universidade de Tóquio e seus colaboradores.
Domínios cromossômicos especiais conhecidos como centrômeros são puxados para as extremidades opostas da célula durante o processo de divisão celular. Depois que a divisão celular está completa e o núcleo da célula é construído, os centrômeros são distribuídos espacialmente no núcleo. Se a distribuição dos centrômeros puxados para os dois pólos permanecer inalterada, o núcleo da célula terá centrômeros agrupados em apenas um lado do núcleo. Essa distribuição desigual de centrômeros é chamada de configuração Rabl, em homenagem a Carl Rabl, o citologista do século XIX. Os núcleos de algumas espécies mostram uma distribuição dispersa de centrômeros. Isso é conhecido como configuração não-Rabl.
“A função biológica e o mecanismo molecular da configuração Rabl ou não-Rabl tem sido um mistério ao longo dos séculos”, disse o autor correspondente Sachihiro Matsunaga, professor da Escola de Pós-Graduação em Ciências da Fronteira da Universidade de Tóquio. “Revelamos com sucesso o mecanismo molecular para construir a configuração não-Rabl.”
A distribuição desigual dos centrômeros (magenta) nos núcleos (verde). Crédito: Sachihiro Matsunaga, Universidade de Tóquio
Os cientistas estudaram a planta Arabidopsis thaliana, conhecido também como agrião thale e um espécime que é conhecido por ter configuração não-Rabl, e sua forma mutante que tinha uma configuração Rabl. Através de seu trabalho, eles descobriram que os complexos de proteínas conhecidos como condensina II (CII) e complexos de proteínas conhecidos como o ligante do complexo nucleoesqueleto e cotoesqueleto (LINC) trabalham juntos para determinar a distribuição do centrômero durante a divisão celular.
“A distribuição do centrômero para a configuração não-Rabl é regulada independentemente pelo complexo CII-LINC e uma proteína de lâmina nuclear conhecida como CROWDED NUCLEI (CRWN)”, disse Matsunaga.
O primeiro passo do mecanismo regulador de duas etapas da distribuição dos centrômeros que os pesquisadores descobriram foi que o complexo CII-LINC medeia a dispersão dos centrômeros da anáfase tardia para a telófase – duas fases no final da divisão celular. A segunda etapa do processo é que os CRWNs estabilizam os centrômeros espalhados na lâmina nuclear dentro do núcleo.
Em seguida, para explorar o significado biológico, os pesquisadores analisaram a expressão gênica em A. thaliana e no seu mutante de estrutura Rabl. Como uma mudança no arranjo espacial dos centrômeros também altera o arranjo espacial dos genes, os pesquisadores esperavam encontrar diferenças na expressão gênica, mas essa hipótese se mostrou incorreta. No entanto, quando[{” attribute=””>DNA damage stress was applied, the mutant grew organs at a slower rate than the normal plant.
“This suggests that precise control of centromere spatial arrangement is required for organ growth in response to DNA damage stress, and there is no difference in tolerance to DNA damage stress between organisms with the non-Rabl and Rabl,” Matsunaga said. “This suggests that the appropriate spatial arrangement of DNA in the nucleus regardless of Rabl configuration is important for stress response.”
According to Matsunaga, the next steps are to identify the power source that changes the spatial arrangement of specific DNA regions and the mechanism that recognizes specific DNA.
“Such findings will lead to the development of technology for artificially arranging DNA in the cell nucleus in an appropriate spatial arrangement,” he said. “It is expected that this technology will make it possible to create stress-resistant organisms, as well as to impart new properties and functions by altering the spatial arrangement of DNA rather than editing its nucleotide sequence.”
Reference: “Two-step regulation of centromere distribution by condensin II and the nuclear envelope proteins” by Takuya Sakamoto, Yuki Sakamoto, Stefan Grob, Daniel Slane, Tomoe Yamashita, Nanami Ito, Yuka Oko, Tomoya Sugiyama, Takumi Higaki, Seiichiro Hasezawa, Maho Tanaka, Akihiro Matsui, Motoaki Seki, Takamasa Suzuki, Ueli Grossniklaus and Sachihiro Matsunaga, 1 August 2022, Nature Plants.
DOI: 10.1038/s41477-022-01200-3
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