Biotimer epigenético revelado em flores

A biologia nunca deve ser considerada comum. Pegue quase qualquer processo biológico e os detalhes provavelmente sobrecarregarão o leitor. Esse é certamente o caso de um novo artigo sobre floração em plantas. Mesmo na bem estudada planta de laboratório  Arabidopsis thaliana , os pesquisadores descreveram dezenas de genes, proteínas e moléculas acessórias trabalhando juntas para garantir o momento adequado para a floração.

O  artigo da  Plant Cell  é difícil de ler para leigos, porque os geneticistas deram nomes muito estranhos a genes e proteínas. Então, de acordo com o costume, alguns genes para  A. thaliana  são escritos em  itálico , mas outros genes e seus produtos proteicos estão em itálico em  LETRAS MAIÚSCULAS . É preciso atravessar uma selva de nomes como  KNUCKLES ,  GIANT KILLER, SPOROCYTLESS, DEFECTIVE ANTHER DEISCIENCE1 e  AT HOOK MOTIF NUCLEAR LOCALIZED PROTEIN18 . Após a primeira menção em um artigo, felizmente, eles geralmente são abreviados para  KNU, GKI, SPL, e assim por diante, mas é difícil lembrar o que eles fazem, especialmente quando todos interagem de maneiras complexas. 

Para complicar ainda mais a situação, as regras de nomenclatura mudaram ao longo do tempo e não são consistentes entre as publicações. Algumas letras não são maiúsculas e algumas têm um sufixo que consiste em letras e números para identificar um determinado alelo. Também existem regras para formas mutantes e formas de tipo selvagem. As regras podem parecer uma bagunça para não especialistas (leia sobre elas em  Arabidopsis.org ), mas suponho que os estranhos nomes mnemônicos sejam mais úteis do que strings difíceis de memorizar como g2934ab0x ou pior (embora as regras para marcas epigenéticas sejam menos mnemônico, como H3K27me3 (“histona 3, lisina 27, grupo metil 3”). Por isso, tentarei evitar a referência aos rótulos e focar nos processos e funções que ocorrem, que são realmente incríveis.

O básico

Em poucas palavras, os cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia de Nara (NAIST), no Japão, identificaram os principais genes, proteínas e fatores epigenéticos que ativam a floração com precisão no tempo. Tão preciso era o “biotimer” que eles encontraram, eles podiam prever quando a floração ocorreria, mesmo que alterassem alguns dos componentes. Eles criaram mutantes de alguns componentes e, com um modelo matemático que projetaram, puderam calcular o dia em que um meristema apical (ou seja, a ponta de um caule em crescimento) mudaria suas células-tronco do modo de proliferação para o modo de diferenciação e começaria a crescer. as partes da flor. A precisão os surpreendeu. Phys.org  diz,

O intrincado processo de desenvolvimento da flor  há muito fascina os cientistas que procuram desvendar os mistérios por trás do tempo de precisão da natureza. Em um estudo publicado na revista  The Plant Cell , uma equipe de pesquisa liderada pelo Nara Institute of Science and Technology (NAIST), o Japão lançou luz sobre o  funcionamento interno da terminação do meristema floral e do desenvolvimento do estame , descobrindo  um mecanismo único impulsionado pela interação de fatores genéticos e epigenéticos. [Enfase adicionada.]

No sul da Califórnia, onde moro, todos ficam emocionados quando as papoulas florescem. Vastos hectares de plantas florescem juntos no final de março ou início de abril, como se fosse uma deixa, pintando vales inteiros e encostas em laranja dourado. As flores também podem fechar se a temperatura cair ou o vento soprar e reabrir quando o sol brilhar novamente. Como eles fazem isso? Em todas as partes do mundo, as plantas apresentam uma época notável de floração: flores de cerejeira em Washington DC, tulipas na Holanda, lírios em Taiwan. Seus segredos permanecem misteriosos. Na Califórnia, todos pensaram que as fortes chuvas de inverno renderiam uma superfloração de papoula, mas foi apenas modesta em comparação com as dos anos anteriores durante a seca. De alguma forma, as plantas sentem a combinação certa de estímulos externos para dar o melhor de si.

Para desvendar os segredos  desse notável sistema , os pesquisadores desenvolveram um modelo matemático capaz de prever o tempo de expressão do gene com  uma precisão surpreendente . Ao modificar o comprimento das regiões marcadas com H3K27me3 dentro dos genes, eles demonstraram com sucesso que a  ativação do gene pode ser retardada ou reduzida, confirmando a influência desse cronômetro epigenético.  As descobertas da equipe oferecem uma nova perspectiva sobre como a natureza controla a expressão gênica durante o desenvolvimento da flor.

O código das histonas

A história gira em torno de marcadores epigenéticos nos genes das  células-tronco de A. thaliana  . Há mais de vinte anos, David Allis (1951-2023) introduziu um conceito ousado: havia outro código em ação no genoma: um sistema regulatório combinatório. Em seu obituário,  a Nature Genetics  diz:

Talvez a contribuição conceitual mais famosa de Allis para o campo da pesquisa da cromatina tenha sido a elaboração da  hipótese do ‘código das histonas’  há mais de 20 anos. Esta estrutura sugeriu que as modificações pós-traducionais (PTMs) das histonas,  em diferentes combinações, juntamente com as proteínas que podem ‘escrevê-las’, ‘ler’ ou ‘apagá-las’, constituem a base para um código regulador de genes.  Em outras palavras, certos PTMs de histonas podem marcar regiões específicas da cromatina e potencialmente influenciar sua atividade transcricional. Muitos desses PTMs de histonas têm sido usados ​​extensivamente para caracterizar ou inferir um estado celular, identidade e comportamento. Por exemplo, as marcas de metilação em H3K27 e H3K9 estão principalmente associadas à  repressão gênica, enquanto outras, como a metilação H3K4 e a acetilação H3K27, estão associadas a  regiões reguladoras ativas .

E assim é em  A. thaliana , mostram os autores do presente artigo. O código genético tem o projeto para fazer as partes; o “código de histona” epigenético tem o interruptor e o cronômetro.

Como funciona

O biotimer descrito no artigo funciona por um processo de “diluição passiva” dependente do ciclo celular. A condição normal para o fator de transcrição AGAMOUS é reprimir a floração. Esse fator, abreviado AG, é cravejado de marcadores de histonas (H3K27me3) que reprimem vários genes necessários para a “terminação do meristema floral”, o termo para a mudança para a floração. As células-tronco vão proliferar (se dividir) infinitamente por mitose até que o interruptor seja acionado para parar de fazer clones de si mesmas e começar a se diferenciar em estames, pistilos e pétalas. Isso me lembra o comentário de Paul Nelson sobre o desenvolvimento do ovo de galinha no documentário  Flight , onde ele descreve como certas células do embrião “estão se comprometendo, na maioria dos casos de forma irreversível, com papéis funcionais específicos”.

Para que as flores se formem, o meristema floral (células-tronco florais)  deve comprometer-se irreversivelmente a tornar-se células que compõem os vários órgãos florais  (sépalas, pétalas, estames e carpelos), um processo conhecido como terminação do meristema floral. O momento adequado da terminação do meristema floral envolve a ativação temporal do gene do fator de transcrição  KNUCKLES (KNU)  por seu  regulador a montante  AGAMOUS (AG) por meio da  diluição dependente do ciclo celular da modificação repressiva da histona  na lisina 27 da histona H3 (H3K27me3) ao longo da   codificação KNU seqüência. Este ‘biotimer’ intrínseco ativará  o KNU  precisamente no momento certo para garantir o desenvolvimento adequado da flor.

A diluição passiva envolve a lavagem dos marcadores de histonas em cada divisão celular. O AG remove o PRC2, um metilador de histonas, e evita marcas de histonas H3 nos nucleossomos. Se uma célula tiver seis desses marcadores repressivos no início, as células-filhas terão três após a próxima divisão celular. Em algum momento, não haverá marcadores suficientes para reprimir a diferenciação e a célula se comprometerá irreversivelmente com a terminação do meristema floral. Ao inserir valores em seu modelo matemático desse mecanismo de diluição passiva, eles foram capazes de prever com precisão quando uma planta no laboratório começaria a florescer. Eles validaram o modelo com formas mutantes dos genes, acelerando ou desacelerando esse “contador regressivo” mecanístico operado pelo código epigenético. Quando uma proteína foi ativada muito cedo, produzia estames curtos e estéreis. Isso mostra que a atenção ao tempo entre as partes do sistema é crucial para o desenvolvimento bem-sucedido da flor.

Curiosamente, o biotimer também era dependente da temperatura. A equipe cultivou algumas das plantas a 18°C ​​(64°F) em vez dos habituais 22°C (72°F) e observou que a floração estava atrasada. A explicação é que a temperatura mais baixa retarda a mitose, que retarda o mecanismo de diluição passiva. 

Também observamos um atraso na  ativação do KNU  por plantas em crescimento a 18°C, provavelmente devido à cinética de crescimento mais lenta. Esta observação enfatiza a regulação dinâmica de H3K27me3 em resposta a sinais extracelulares e intracelulares  e sugere um papel para o biotimer dependente do ciclo celular na  coordenação do equilíbrio entre proliferação e diferenciação celular.

É uma estratégia sábia garantir que as flores tenham boas condições climáticas para desabrochar. A temperatura é apenas uma sugestão externa que provavelmente afeta o cronômetro. “Experimentos adicionais serão necessários”, dizem eles, para esclarecer o efeito de temperaturas mais baixas e outras sugestões externas. Estes podem incluir disponibilidade de água e nutrientes, duração do dia, risco de herbívoros, presença de parceiros fúngicos ou outros fatores.

Apropriadamente, o artigo evita Darwin. Como as plantas com flores explodiam em aparência era um  mistério abominável  para ele. O papel livre de evolução e o comunicado de imprensa usaram um termo estranho para processos naturais não guiados, mas familiar para engenheiros e projetistas de sistemas complexos com múltiplas partes cooperantes: 

Por meio de investigações meticulosas na planta modelo Arabidopsis thaliana, a equipe descobriu que AG serve como  um condutor mestre, orquestrando a expressão gênica  por meio de um processo conhecido como diluição H3K27me3 acoplada ao ciclo celular. Esse fenômeno notável  envolve a diluição de uma modificação de histona chamada H3K27me3 ao longo de sequências de genes específicas,  iniciando efetivamente a ativação do gene . Os cientistas identificaram  vários genes-chave regulados diretamente pelo AG em vários momentos desse ciclo.

O estudo revelou  uma rede genética rigidamente controlada  por AG, com genes como KNUCKLES (KNU), AT HOOK MOTIF NUCLEAR LOCALIZED PROTEIN18 (AHL18) e PLATZ10 emergindo como  atores críticos . “Ao desvendar o funcionamento interno desse  circuito regulatório , obtivemos uma visão sem precedentes dos  intrincados mecanismos de temporização  que impulsionam a terminação adequada do meristema floral e o desenvolvimento do estame”, diz a primeira autora Margaret Anne Pelayo.

Orquestração : além de seu significado bem conhecido na música – fazer com que todos os instrumentistas habilidosos toquem suas próprias partes projetadas no momento certo em harmonia – também significa “os planos ou planejamento necessários para arranjar algo ou fazer algo acontecer”. Ver um mecanismo automático em uma humilde erva trabalhando para alcançar a orquestração de múltiplas partes dentro de uma célula-tronco em um meristema, à medida que muda para a preparação da flor, é bastante notável. No entanto, mesmo isso é apenas o começo de todo um concerto de obras-primas orquestradas à medida que os órgãos se desenvolvem, as pétalas assumem suas formas e cores e a flor completa se abre para os negócios. Abaixo, observe como uma orquestra musical celebra essa orquestração biológica. Bravo!

Texto de: David Coppedge, é um repórter científico freelancer no sul da Califórnia. Ele é membro do conselho da Illustra Media desde sua fundação e atua como consultor científico. Ele trabalhou no Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da NASA por 14 anos, na missão Cassini a Saturno, até ser demitido em 2011 por compartilhar material sobre design inteligente, uma ação discriminatória que levou a um julgamento nacionalmente divulgado em 2012. Discovery Institute apoiou seu caso, mas um único juiz decidiu contra ele sem explicação. Fotógrafo da natureza, outdoorsman e músico, David é bacharel em educação científica e em física e faz apresentações sobre ID e outros assuntos científicos.

Texto extraído, traduzido e adaptado:https://evolutionnews.org/2023/06/epigenetic-biotimer-revealed-in-flowers/