image: These images show the different planes of a cell (black) expressing CENP-A (yellow dots). view more
Credit: Dani Bodor (IGC).
Esta comunicado está disponível em inglês.
A identificação de genes e proteínas envolvidas em qualquer processo biológico, bem como a maneira como interagem, é essencial para a compreensão de como esse processo funciona. No entanto, muitas vezes, pouco se sabe sobre as dimensões das estruturas moleculares. Saber quantas moléculas formam uma estrutura e quantas são necessárias para o seu funcionamento é essencial para a compreensão dos mecanismos biológicos. Mas conseguir quantificar moléculas de tamanho ínfimo é um desafio difícil. Agora, num estudo inovador, Lars Jansen e a sua equipa do Instituto Gulbenkian de Ciência (IGC, Portugal) foram capazes de medir, em células humanas, a quantidade de moléculas de uma proteína necessária para formar uma importante estrutura dos cromossomas, o centrómero. Este estudo, publicado esta semana na revista científica de acesso livre eLife *, apresenta novas metodologias igualmente úteis para desvendar outros problemas biológicos.
Os centrómeros são estruturas presentes nos cromossomas e compostos por proteínas. Recrutam toda a maquinaria molecular necessária à separação dos cromossomas para as células filhas, um processo essencial aquando da divisão celular. Se a localização dos centrómeros nos cromossomas for alterada ou se as proteínas que compõem estas estruturas forem danificadas, podem surgir divisões celulares anormais. O laboratório de Lars Jansen, juntamente com outros grupos de investigação, identificaram os componentes dos centrómeros e descobriram que uma proteína, chamada CENP-‐A, é essencial para a função do centrómero. O que estava a faltar, até agora, era uma medida de quantas destas moléculas estão presentes, uma informação importante para entender como os centrómeros são construídos e mantidos.
Dani Bodor, estudante de doutoramento no laboratório de Lars e primeiro autor do estudo, explica o contexto deste estudo: "Sabíamos que a proteína CENP-‐A desempenhava um papel crucial na formação dos centrómeros. Estudos anteriores mostraram que sem esta proteína as células não se conseguiam dividir adequadamente, com implicações no número de cromossomas transmitidos para as células filhas. Mas exatamente quanta CENP-‐A era necessária para formar um centrómero? Precisávamos de encontrar uma maneira de contar as moléculas de CENP-‐A, que têm um tamanho na ordem dos nanómetros (1.000.000 vezes menor que um milímetro)."
A equipa de investigação propôs-‐se a desenvolver ferramentas que permitissem essa medição. Utilizando técnicas de engenharia genética moderna, os investigadores ligaram um gene que codifica uma proteína fluorescente ao gene da CENP-‐A. Ao utilizar este truque genético, todas as proteínas CENP-‐A produzidas nas células tornaram-‐se fluorescentes. Por observação ao microscópio, os investigadores conseguiram quantificar a quantidade total de fluorescência presente na célula e a fração de fluorescência presente nos centrómeros. Estas medições permitiram-‐lhes determinar que aproximadamente 400 moléculas de CENP-‐A estão presentes nos centrómeros das células humanas.
Dani Bodor diz: "Nós inspirámo-‐nos numa metodologia já utilizada em leveduras que, até agora, ninguém tinha usado para quantificar moléculas em células mais 'complexas'. As células de levedura têm mais ou menos a mesma forma e volume, mas as células humanas diferem em forma e volume, o que aumenta o grau de complexidade perante este tipo de técnicas."
Para confirmarem se os seus cálculos eram precisos, os investigadores usaram duas outras técnicas. Os resultados mostraram que, independentemente da técnica utilizada, obtinham sempre um número próximo de 400.
Lars Jansen diz: "Os centrómeros precisam de ser estruturas muito estáveis para garantir a fiel transmissão dos cromossomas para as células filhas durante a divisão celular. Quando a célula se divide as proteínas de CENP-‐A são distribuídas pelas células filhas e o número de moléculas que cada célula recebe pode variar. Com as 400 moléculas de CENP-‐A, a célula assegura a transmissão de um número suficiente de moléculas para construir os centrómeros nas novas células. Ao calcular o número de moléculas CENP-‐A, fomos capazes de propor um novo mecanismo que pode explicar a formação e hereditariedade dos centrómeros."
Quando interrogado sobre as dificuldades técnicas enfrentadas durante este estudo Lars diz: "Nós levámos 5 anos para realizar este trabalho, e com certeza que não seríamos capazes de o ter feito há 10 anos atrás. Precisamos constantemente de desenvolver novas técnicas para conseguirmos ir mais longe e responder a questões novas, mesmo que para problemas biológicos já antigos. Estamos agora numa fase da Biologia, onde mais e mais laboratórios vão começar a olhar para os aspectos quantitativos do problema biológico que estão a estudar. As técnicas que utilizámos podem ser bastante úteis para isso."
Lars Jansen recebeu, no início deste ano, uma Consolidador Grant pelo Conselho Europeu de Investigação (ERC, na sigla em inglês) que lhe permitirá continuar os seus estudos sobre centrómeros e sobre os mecanismos que controlam a transmissão fiel de informação não-genética de célula-mãe para células-filhas.
Este estudo foi realizado no Instituto Gulbenkian de Ciência, em colaboração com investigadores da Harvard Medical School (Boston, EUA), da Universidade da Pensilvânia (Filadélfia, EUA) e da Universidade da Califórnia (La Jolla, EUA). Esta investigação foi possível graças ao financiamento vindo da Organização Europeia de Biologia Molecular (EMBO), Comissão Europeia, Conselho Europeu de Investigação, National Institute of Health (EUA), Burroughs Wellcome Fund (EUA), Rita Allen Foundation (EUA), Beckman Laser Institute (EUA) e Fundação para a Ciência e a Tecnologia (Portugal).
* Bodor, DL, Mata, JF, Sergeev, M, David, AF, Salimian, KJ, Panchenko, T, Cleveland, DW, Black, BE, Shah, JV, Jansen, LET (2014). The quantitative architecture of centromeric chromatin. eLife 3: e02137. http://dx.doi.org/10.7554/eLife.02137
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Lars
Jansen
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Instituto
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ljansen@igc.gulbenkian.pt