De organismo modelo a avanços médicos Understand article

Tradução de Isabel Queiroz Macedo. Um simples fungo usado na produção de cerveja é hoje utilizado pelo mundo fora em investigação sobre cancro.

O cancro afecta anualmente milhões de pessoas no mundo. Porém, graças à investigação em curso sobre o cancro e a biologia celular subjacente, os tratamentos e taxas de sobrevivência melhoram todos os dias. A levedura Schizosaccharomyces pombe é, talvez surpreendentemente, uma ferramenta muito útil na investigação do cancro. Este extensamente estudado organismo modelo (ver caixa), utilizado em investigação há mais de 50 anos, tem permitido esclarecer os processos de crescimento e divisão de células normais e cancerosas e levou a descobertas muito importantes que ganharam um prémio Nobel.

O cancro é o equivalente humano de erva daninha – células anormais indesejadas crescem descontroladamente e no local errado. Isto é muitas vezes o resultado de alterações no DNA de uma célula, denominadas mutações, que se acumulam com o tempo. Estas mutações podem fazer com que as células cresçam demasiado depressa e se dividam com demasiada frequência, formando depois tumores que invadem tecidos e órgãos vizinhos, causando danos. Para entender de que modo estas mutações causam cancro é preciso antes perceber o funcionamento das células em circunstâncias normais.

Infelizmente, as células humanas não são ideais para investigação em ciclo celular. O genoma humano contém cerca de 20 000 genes, muitos dos quais com mais de uma função. Além disso, células e DNA humano podem não ser fáceis de manipular no laboratório, o que dificulta a determinação da função de um gene específico. A levedura S.pombe forneceu a solução. Este organismo unicelular, também conhecido como levedura de fissão, tem apenas 4 μm de largura, 14 μm de comprimento e cerca de 5 000 genes.

S. pombe foi descrita pela primeira vez em 1893 pelo cientista alemão Paul Lindner, que descobriu a levedura em cerveja de sorgo da África Oriental. Por isso deu-lhe o nome da palavra Suaíli para cerveja, pombe. Os estudos sobre a genética e o ciclo celular de S. pombe começaram na década de 1950. Esta levedura é ideal para investigação por várias razões: é fácil de cultivar, é não patogénica, as células são suficientemente grandes para serem visíveis ao microscópio e contêm apenas três cromossomas e um ciclo de vida completo demora entre 2 e 4 horas ver caixa).

Um ponto forte de S. pombe como organismo modelo é a facilidade com que o seu genoma é manipulado – podem remover-se completamente genes específicos ou pode adicionar-se DNA extra.

SOs cientistas podem cultivar estas células geneticamente modificadas e o fenótipo resultante (as características observáveis do organismo) ajuda-os a esclarecer a função do gene que foi alterado. Além disso as células de S. pombesão haplóides, têm apenas uma cópia de cada gene, o que torna ainda mais fácil o estudo da função genética. Numa célula diplóide (em que há duas cópias de cada gene) é preciso muito cuidado para assegurar que ambas as cópias do gene são alteradas, e, consequentemente, que o fenótipo é significativo. Ter uma única cópia de cada gene, como acontece em S. pombe,simplifica este processo.

Adicionalmente, S. pombe tem um ciclo celular bem caracterizado e a sua forma regular de bastonete faz dela um organismo ideal para estudos de crescimento e divisão. As células mantêm a sua forma de bastonete e alongam-se nas extremidades até atingirem um comprimento determinado. O DNA é replicado e cada cópia do genoma move-se para uma metade da célula; de seguida forma-se um septo (corado com um marcador fluorescente) na região central da célula e ela divide-se (ver figura 1). Este ciclo repete-se, com cada célula a crescer e a dividir-se em duas células-filha, desde que as condições sejam propícias ao crescimento (p. ex. nutrientes em abundância).

INos anos 70, Paul Nurse e a sua equipa começaram a isolar e caracterizar ciclos celulares em mutantes de S. pombe – trabalho que levou a um prémio Nobel em 2001. Inicialmente os investigadores procuraram alterações genéticas causadoras de morte celular ou de células anormalmente alongadas que não se dividiam (Nurse et al., 1976). A figura 2(b) mostra células alongadas que não se dividiram como resultado de inibição de um gene chamado cdc (abreviatura de ciclo de divisão celular).

Os benefícios dos organismos modelo ficam claros quando a investigação contribui para avanços na compreensão de processos semelhantes em humanos. Muitos dos genes de S. pombe que regulam a reparação de erros no DNA, controlos em checkpoints e o ciclo celular têm homólogos (equivalentes) em células humanas. Por exemplo, depois de identificar o gene cdc2 em S. pombe, Nurse e os seus colaboradores continuaram a pesquisa e identificaram o gene correspondente em humanos, cdk1 (cinase 1 dependente de ciclina) (Lee & Nurse, 1987). Este gene codifica uma proteína que inicia e regula a divisão celular em humanos. Mutações neste gene podem desencadear divisão celular anormal e duplicação ou delecção de secções de cromossomas, causando cancro. Estão em curso estudos sobre os benefícios terapêuticos de inibição selectiva de CDK no tratamento de cancro em humanos. As oportunidades não se ficam pelo cancro – na realidade, homólogos de pelo menos 50 genes de S. pombe estão associados a doenças humanas tão variadas como fibrose cística, surdez hereditária ou diabetes tipo 2.

S. pombe é tão essencial em investigação que foi, em 2002, o sexto organismo eucariota a ter a sequência completa do seu genoma publicada. Isto levou ao desenvolvimento de ferramentas mais poderosas para o estudo de S. pombe. Por exemplo, criou-se uma biblioteca de 3308 estirpes de S. pombe, cada uma sem um dos genes não essenciais à levedura. Além disso, cada proteína d S. pombe foi marcada com proteína fluorescente verde (GFP) (que fica verde brilhante sob luz ultravioleta), o que permitiu observar a sua localização exacta na célula ao microscópio de fluorescência. Estas ferramentas farão de S. pombe um ainda melhor organismo modelo na investigação da função genética (Yanagida, 2002).

Ainda não percebemos completamente de que modo processos como a divisão e o crescimento celular são controlados, e os controlos globais de crescimento celular estão particularmente mal esclarecidos. Com este simples organismo unicelular podemos aprender muito sobre processos complexos muito importantes no nosso desenvolvimento e sobre doenças como o cancro.

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