Archaeal histone-based chromatin forms extended polymeric structures in vivo

No fundo de cada célula viva, longas fitas de material genético chamadas DNA devem ser compactadas firmemente para caber, mas permanecer acessíveis o suficiente para serem lidas e copiadas. Em formas de vida complexas como os humanos, esse empacotamento é gerenciado por um sofisticado sistema de proteínas que envolve o DNA em carretéis, criando uma estrutura conhecida como cromatina. Este sistema é tão intrincado que inclui etiquetas especiais e máquinas de remodelagem que podem apertar ou afrouxar os carretéis para controlar quais genes estão ativos. No entanto, a história de como este sistema começou é muito mais simples. Antes da vida complexa evoluir, existiam organismos unicelulares antigos chamados arqueias. Muitos desses seres também usam proteínas para envolver seu DNA, mas seu conjunto de ferramentas é muito mais básico. Elas carecem das etiquetas e máquinas complexas encontradas em humanos, dependendo, em vez disso, de um conjunto mínimo de proteínas que podem se ligar ao DNA por conta própria. Compreender como esses organismos antigos organizam seu código genético oferece uma janela para os primeiros passos da evolução da vida, revelando como as primeiras versões do nosso próprio empacotamento complexo de DNA poderiam ter funcionado.

Por décadas, cientistas estudaram essas proteínas antigas em tubos de ensaio, misturando-as com DNA para ver quais estruturas elas formam. Nesses ambientes controlados, as proteínas e o DNA se enrolam espontaneamente em cadeias longas e repetitivas que parecem uma mola flexível. Mas uma questão crítica permanecia: essa estrutura organizada, semelhante a uma mola, realmente existe dentro de uma célula viva ou é apenas um artefato do laboratório? Para responder a isso, pesquisadores voltaram sua atenção para a Thermococcus kodakarensis, uma arqueia amante do calor que produz vastas quantidades dessas proteínas de envolvimento de DNA. Ao congelar células vivas em uma fração de segundo para preservar seu estado natural e depois usar poderosos microscópios eletrônicos para espiar o interior, a equipe foi capaz de ver o interior da célula com clareza sem precedentes. O que eles descobriram foi que o material genético da célula não permanece em uma forma fixa. Em vez disso, ele muda dramaticamente dependendo de como a célula está crescendo. Quando as células são jovens e se multiplicam rapidamente, seu DNA está espalhado de forma frouxa por toda a célula, parecendo uma nuvem difusa. Mas conforme as células envelhecem e param de crescer, essa nuvem se transforma. O DNA se condensa em filamentos helicoidais apertados que correspondem às estruturas em forma de mola vistas no tubo de ensaio, provando que esses organismos antigos podem, de fato, construir estruturas de DNA complexas e ordenadas sem a ajuda da sofisticada maquinaria encontrada em humanos.

Os pesquisadores observaram essas mudanças cultivando as arqueias em um ambiente rico em nutrientes e observando-as através do microscópio enquanto passavam de uma fase de crescimento rápido para uma fase estacionária onde o crescimento parava. Nas células jovens e ativas, o material genético estava distribuído uniformemente, sugerindo que as proteínas de envolvimento do DNA estavam presentes, mas não organizando o DNA em feixes apertados. No entanto, conforme a cultura envelhecia e os nutrientes tornavam-se escassos, as células passavam por uma transformação impressionante. Dentro das células mais velhas, a equipe detectou estruturas distintas, semelhantes a fios, percorrendo o citoplasma. Estas não eram aglomerados aleatórios, mas filamentos organizados que giravam em uma espiral regular. Ao medir essas estruturas, os cientistas confirmaram que tinham exatamente o tamanho e a forma adequados para serem as longas cadeias de DNA enroladas em torno das proteínas antigas, tal como previsto por experimentos laboratoriais anteriores. Esses filamentos apareciam tanto como fios únicos quanto como feixes de fios compactados, sugerindo que a célula pode organizar todo o seu genoma nessas bobinas apertadas, semelhantes a molas, quando necessário.

Para ter certeza de que esses filamentos eram de fato feitos das proteínas de envolvimento do DNA e não de outro componente celular, a equipe examinou uma versão especial do organismo que possuía uma mutação em suas instruções de fabricação de proteínas. Esta linhagem mutante ainda podia produzir as proteínas, mas uma pequena mudança em sua forma impedia que elas se ligassem para formar longas cadeias. Quando os pesquisadores examinaram essas células mutantes, os longos filamentos em forma de mola estavam completamente ausentes. Em vez disso, o DNA permanecia em um estado desorganizado, mesmo quando as células estavam velhas e passando por privação de nutrientes. Este experimento crucial provou que a capacidade de formar essas estruturas longas e ordenadas depende inteiramente da maneira específica como as proteínas se ligam. Confirmou que os filamentos vistos nas células normais não eram formações acidentais, mas o resultado direto das proteínas fazendo exatamente o que foram projetadas para fazer: envolver o DNA em bobinas longas e contínuas.

O estudo também revelou uma segunda surpresa inesperada. Ao lado dos filamentos em forma de mola nas células mais velhas, os pesquisadores encontraram grandes manchas densas e arredondadas espalhadas pela célula. Essas estruturas globulares estavam densamente compactadas com material genético e pareciam ser uma forma de organização do DNA inteiramente diferente. Diferente das longas e ordenadas molas, esses blocos pareciam aglomerados condensados e caóticos. Os pesquisadores usaram uma técnica que combina microscopia óptica com microscopia eletrônica para confirmar que esses blocos eram, de fato, ricos em DNA. Eles apareciam apenas quando as células entravam nos estágios finais de crescimento, sugerindo que a célula pode mudar para esta forma globular como uma resposta ao estresse ou à escassez de nutrientes. Embora a função exata desses blocos ainda esteja sendo investigada, sua presença sugere que a célula antiga tem mais de uma estratégia para gerenciar seu material genético, sendo capaz de mudar de uma nuvem frouxa para uma mola ordenada e, finalmente, para uma massa globular densa, dependendo de suas necessidades.

Uma das descobertas mais significativas deste trabalho é que essas mudanças dramáticas na organização do DNA ocorrem sem quaisquer interruptores químicos complexos. Em células humanas, mudar a forma da cromatina geralmente requer um conjunto de enzimas para adicionar ou remover etiquetas químicas nas proteínas, ou máquinas para mover fisicamente o DNA. As arqueias antigas, no entanto, carecem dessas ferramentas complexas. Os pesquisadores descobriram que a quantidade de proteínas de envolvimento do DNA na célula permaneceu relativamente constante durante todo o ciclo de crescimento, mesmo enquanto a estrutura do DNA mudava completamente. Isso implica que a célula não precisa produzir mais proteínas ou modificá-las quimicamente para alternar entre essas diferentes formas. Em vez disso, a mudança parece ser impulsionada pelo ambiente interno da célula conforme ela envelhece, permitindo que as proteínas se reorganizem espontaneamente nestas diferentes formas. Esta descoberta sugere que a capacidade de reestruturar dinamicamente o material genético é um traço antigo que evoluiu muito antes dos sistemas regulatórios complexos vistos na vida moderna.

As implicações destas descobertas remontam aos próprios primórdios da vida complexa. A capacidade dessas proteínas simples de formar espontaneamente longas e ordenadas cadeias de DNA, e de reorganizá-las em diferentes estruturas sem ajuda externa, fornece um modelo plausível de como os primeiros passos da evolução eucariótica podem ter ocorrido. Mostra que a maquinaria básica para o empacotamento do DNA é versátil e capaz de comportamentos complexos por conta própria. A transição de uma nuvem frouxa para uma mola apertada, e depois para um glóbulo denso, demonstra que mesmo as formas de vida mais simples possuem maneiras sofisticadas de gerenciar sua informação genética. À medida que os cientistas continuam a explorar esses organismos antigos, particularmente aqueles de grupos que estão intimamente relacionados aos ancestrais da vida complexa, eles podem descobrir mais das transições fundamentais que levaram de organismos unicelulares simples para as diversas e complexas formas de vida que existem hoje. O estudo confirma que as estruturas helicoidais ordenadas de empacotamento do DNA não são apenas uma curiosidade de laboratório, mas uma característica real e viva dessas células antigas, oferecendo um vislumbre da mecânica fundamental da própria vida.