Trypanosoma congolense Variant Surface Glycoprotein gene expression occurs in the absence of monoallelic transcription control

Para sobreviver dentro de um mamífero, um parasita unicelular deve mudar constantemente o seu disfarce. O sistema imunológico do seu hospedeiro atua como uma força de segurança altamente treinada, aprendendo a reconhecer o revestimento superficial específico de um invasor e, em seguida, atacando-o. Para manter-se um passo à frente, muitos patógenos praticam um truque chamado variação antigênica. Eles carregam uma vasta biblioteca de diferentes proteínas de superfície, mas exibem apenas uma de cada vez. Quando o sistema imunológico do hospedeiro finalmente aprende a identificar essa proteína específica e lança um ataque, o parasita muda para uma diferente da sua biblioteca, efetivamente mudando o seu rosto antes que o sistema imunológico consiga alcançá-lo. Este processo é bem compreendido no tripanossoma africano Trypanosoma brucei, a causa da doença do sono. Nesta espécie, o parasita é um monogâmico estrito em relação ao seu disfarce: num dado momento, uma única célula expressa apenas uma proteína de superfície, mantendo todas as outras silenciosas. Este controlo "monoalélico" é gerido por uma sofisticada maquinaria molecular que garante que apenas um gene esteja ativo, permitindo que a população mude a sua aparência numa onda coordenada e sequencial.

No entanto, um parasita intimamente relacionado, o Trypanosoma congolense, que causa uma doença devastadora no gado em toda a África subsariana, tem sido há muito um mistério. Embora os cientistas soubessem que ele também utilizava proteínas de superfície para evitar a imunidade, não sabiam como controlava a expressão desses genes. Seguiria a mesma regra estrita de um único gene como o seu primo ou operaria de forma diferente? Uma equipa de investigadores de universidades do Reino Unido e da Bélgica decidiu responder a esta questão analisando diretamente a atividade genética de parasitas individuais. Eles queriam ver se as regras que governam o famoso parasita da doença do sono também se aplicavam a este flagelo agrícola.

Os investigadores começaram por cultivar culturas de T. congolense em laboratório e examinaram as mensagens genéticas, ou transcritos, que os parasitas estavam a produzir. Esperavam encontrar que, tal como o T. brucei, cada célula estaria focada num único gene de proteína de superfície. Em vez disso, encontraram uma cena caótica. Em pequenos grupos de parasitas recentemente clonados, detetaram centenas de genes de proteínas de superfície diferentes a estarem ativos ao mesmo tempo. Isto contrastava fortemente com o T. brucei, onde quase todas as células expressam apenas um gene dominante. Para garantir que isto não era um erro causado pelos parasitas a trocar genes para criar novas combinações, os cientistas criaram versões mutantes de T. congolense que careciam da capacidade de realizar recombinação genética. Mesmo sem esta capacidade de baralhar o seu baralho genético, os parasitas continuavam a expressar uma vasta gama de diferentes proteínas de superfície simultaneamente. A diversidade não era um resultado da troca de genes; era uma característica fundamental de como estes parasitas leem o seu próprio ADN.

Para compreender o que estava a acontecer dentro de uma única célula, a equipa recorreu à transcriptómica de célula única, uma técnica que permite aos cientistas ouvir as conversas genéticas de células individuais em vez de apenas o ruído médio de uma população inteira. Analisaram milhares de células individuais de T. congolense e compararam-nas com milhares de células de T. brucei. A diferença foi imediata e profunda. Nas amostras de T. brucei, quase todas as células estavam a expressar um único gene de proteína de superfície, com talvez um sussurro minúsculo de um segundo aqui e ali. As células de T. congolense, no entanto, estavam a expressar múltiplas proteínas de superfície ao mesmo tempo. Uma célula típica de T. congolense foi encontrada a transcrever ativamente entre dois a trinta genes de proteínas de superfície simultaneamente. De facto, a maioria das células coexpressava múltiplos genes, e a combinação específica de genes variava drasticamente de célula para célula. Algumas células expressavam uma dúzia de proteínas, enquanto outras expressavam apenas algumas, mas a regra de "um gene por célula" estava completamente ausente.

Os investigadores mapearam então a localização destes genes ativos dentro do genoma do parasita para ver se existia um "centro de comando" específico onde estes genes estavam a ser ativados. No T. brucei, existe um local dedicado no final dos cromossomas onde o gene ativo reside, e todas as outras cópias são silenciadas. No T. congolense, tal local dedicado não existia. Os genes ativos estavam espalhados por todo o genoma, encontrados em cromossomas grandes e pequenos, frequentemente longe das extremidades dos cromossomas onde os locais ativos costumam residir noutros tripanossomas. Os genes sendo expressos juntos numa única célula não eram vizinhos; estavam localizados em partes completamente diferentes do genoma. Isto indicou que o T. congolense não depende de um único local de expressão especializado para controlar o seu disfarce. Em vez disso, parece ter a liberdade de ativar muitos genes de proteínas de superfície ao mesmo tempo, independentemente de onde estejam localizados no ADN.

Para verificar se este comportamento estranho era exclusivo do laboratório ou se ocorria numa infeção real, a equipa repetiu o experimento utilizando parasitas retirados diretamente de ratos infetados. Eles colheram os parasitas do sangue dos animais em diferentes estágios de infeção e analisaram-nos individualmente. Mesmo no complexo ambiente de um hospedeiro vivo, o padrão manteve-se. A vasta maioria das células de T. congolense estava a expressar múltiplas proteínas de superfície ao mesmo tempo, enquanto as células de T. brucei do mesmo tipo de experimento continuavam a aderir à sua regra de gene único. Isto confirmou que a falta de controlo estrito não é um artefacto das condições de laboratório, mas sim uma característica biológica central do T. congolense. Os investigadores também testaram uma estirpe diferente de T. congolense e encontraram o mesmo resultado, sugerindo que esta é uma característica universal para a espécie.

Estas descobertas desafiam a suposição de longa data de que todos os tripanossomas africanos utilizam o mesmo mecanismo para evitar o sistema imunitário. Enquanto o T. brucei depende de uma troca estrita e sequencial de um único disfarce, o T. congolense parece usar um casaco de retalhos de muitos disfarces simultaneamente. Isto sugere que o parasita pode estar a confundir o sistema imunitário não ao mudar o seu rosto um de cada vez, mas ao apresentar uma mistura constante e heterogénea de rostos todos de uma vez. O estudo também excluiu a ideia de que esta diversidade provém dos parasitas a trocar constantemente de genes para criar novas combinações, uma vez que os mutantes incapazes de trocar genes mostraram a mesma alta diversidade. Em vez disso, a diversidade surge da capacidade de transcrever muitos genes ao mesmo tempo.

Esta descoberta abre novas questões sobre como estes parasitas sobrevivem. Se uma célula de T. congolense está coberta por uma mistura de diferentes proteínas, como evita ser atacada? Os investigadores descobriram que, embora as células produzam muitas mensagens genéticas, o número real de moléculas de proteína detetadas na superfície era inferior ao número de mensagens, sugerindo que algum nível de controlo pode ainda existir após a leitura dos genes, talvez filtrando quais as proteínas que realmente chegam à superfície. No entanto, o mecanismo fundamental de ativar os genes é claramente diferente do seu primo. O estudo conclui que a evolução tomou dois caminhos muito diferentes para resolver o mesmo problema: um caminho leva a um foco estrito num único gene, enquanto o outro leva a uma expressão de múltiplos genes caótica. Esta diferença de estratégia destaca a incrível adaptabilidade destes parasitas e sugere que as regras que governam a sua sobrevivência são muito mais diversas do que anteriormente imaginado.