Plantando as sementes da defesa

Plantando as sementes da defesa

O estudo Salk descobre que o estresse desencadeia mudanças epigenéticas generalizadas que ajudam na resistência a doenças

LA JOLLA, CA — Durante muito tempo pensou-se que a metilação, uma parte crucial do desenvolvimento normal do organismo, era uma modificação estática do DNA que não poderia ser alterada pelas condições ambientais. Novas descobertas de pesquisadores do Instituto Salk de Estudos Biológicos, no entanto, sugerem que o DNA de organismos expostos ao estresse sofre mudanças nos padrões de metilação do DNA que alteram a forma como os genes são regulados.

Os cientistas descobriram que a exposição a uma bactéria patogênica causou mudanças generalizadas no código epigenético de uma planta, uma camada extra de instruções bioquímicas no DNA que ajudam a controlar a expressão gênica. As mudanças epigenéticas foram ligadas à atividade de genes responsáveis ​​por coordenar a resposta de uma planta ao estresse, sugerindo que o epigenoma pode ajudar os organismos a desenvolver resistência a patógenos e outros estressores ambientais.

Os pesquisadores do Salk infectaram duas linhagens de plantas com uma bactéria para determinar se a metilação, um tipo de modificação química epigenética do DNA, desempenha um papel na resposta da planta ao estresse.

A folha à esquerda, retirada de uma planta normal cinco dias após a infecção, mostra sistemas de doença. A folha à direita, retirada de uma planta mutante incapaz de metilação, não mostra sinais de doença, sugerindo que a metilação funciona em respostas ao estresse.

Imagem: Cortesia de Robert H. Dowen

“Isso significa que o epigenoma pode não ser apenas um conjunto estático de instruções, mas também uma forma de reescrever essas instruções com base na experiência”, diz José Ecker, um professor da Salk's Laboratório de Análise Genômica, que liderou a equipe de pesquisa. “Nossas descobertas, combinadas com as descobertas de outros pesquisadores, sustentam que as experiências de vida deixam uma marca em nosso DNA.”

No estudo, publicado em 7 de agosto no Proceedings, da Academia Nacional de Ciências, Ecker e seus colegas estudaram como a metilação do DNA regula o sistema imunológico do Arabidopsis thaliana plantar. A metilação é um processo bioquímico que, entre outras coisas, suprime a expressão de “genes saltadores” chamados transposons que foram incorporados ao genoma ao longo do tempo. Usando tecnologias de sequenciamento do genoma, os pesquisadores descobriram uma ampla gama de mudanças de metilação na resposta da planta a uma infecção bacteriana e realizaram uma variedade de análises para determinar como essas mudanças de metilação alteram a expressão do gene.

“De estudos anteriores, sabemos que a expressão de alguns genes está acoplada a mudanças de metilação em resposta ao estresse”, diz o primeiro autor Robert Dowen, que trabalhou no projeto em Salk com Ecker e agora está no Massachusetts General Hospital em Boston. “Nossas descobertas, no entanto, mostram que expor uma planta ao estresse desencadeia uma infinidade de mudanças de metilação que ajudam a planta a se defender contra patógenos invasores”.

As plantas usam uma série sofisticada de mecanismos de defesa para restringir o crescimento de bactérias parasitárias após a infecção, estimulando vários sinais hormonais que desencadeiam alterações nas redes de expressão gênica. As descobertas de Salk e outros estudos recentes sugerem que essas respostas de defesa celular envolvem a maquinaria de metilação do DNA para conferir controle sobre as redes de expressão gênica. Alterações epigenéticas no material genético, incluindo alterações nos padrões de metilação do DNA e modificações nas histonas (proteínas que desempenham um papel fundamental na regulação do gene), podem alterar a expressão de um gene sem alterar sua sequência de DNA. Além disso, moléculas chamadas de pequenos RNAs interferentes (siRNAs) estão intimamente ligadas à metilação do DNA, especialmente nos genes saltadores, onde esses siRNAs dirigem o processo de metilação. Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que os níveis desses siRNAs também mudam durante a infecção em transposons específicos e correspondem à ativação desses fragmentos móveis de DNA. Esses achados ilustram a natureza dinâmica do epigenoma em resposta ao estresse.

As descobertas de Salk podem ter amplas implicações para a agricultura, incluindo a engenharia dos padrões de metilação do DNA das plantas para gerar culturas resistentes a patógenos e minimizar a exposição a pesticidas. Essas tecnologias de aplicação são de grande interesse, pois mais de 30 a 40 por cento das colheitas anuais são perdidas para patógenos a cada ano, a um custo de cerca de US$ 500 bilhões.

Um estudo recente publicado em Fisiologia vegetal sugere que a memória das condições ambientais pode ser transmitida transgeracionalmente, pois as defesas das plantas são iniciadas na progênie de plantas cujos pais já foram expostos a patógenos. “Embora esse fenômeno seja pouco compreendido, é de grande interesse e está sendo intensamente estudado no campo”, diz Dowen. “Achamos que nossas descobertas podem fornecer uma estrutura para testar diretamente se as alterações de metilação que observamos são passadas para a progênie ou se um mecanismo semelhante pode estar ocorrendo em células humanas”.

Outros pesquisadores do estudo foram Mattia Pelizzola, Robert J. Schmitz, Ryan Lister e Joseph R. Nery, do Salk Institute; e Jill M. Dowen e Jack E. Dixon da Universidade da Califórnia em San Diego.

O trabalho contou com o apoio do National Institutes of Health (AI060662), o Fundação Catharina, Instituto de Medicina Regenerativa da Califórnia, Fundação Mary K. Chapman, Instituto Médico Howard Hughes e Gordon e Betty Moore Foundation.

Sobre o Salk Institute for Biological Studies:
O Salk Institute for Biological Studies é uma das mais proeminentes instituições de pesquisa básica do mundo, onde professores de renome internacional investigam questões fundamentais das ciências da vida em um ambiente único, colaborativo e criativo. Com foco na descoberta e na orientação de futuras gerações de pesquisadores, os cientistas da Salk fazem contribuições inovadoras para nossa compreensão do câncer, envelhecimento, Alzheimer, diabetes e doenças infecciosas, estudando neurociência, genética, biologia celular e vegetal e disciplinas relacionadas.

As realizações do corpo docente foram reconhecidas com inúmeras honras, incluindo Prêmios Nobel e associações na Academia Nacional de Ciências. Fundado em 1960 pelo pioneiro da vacina contra a poliomielite Jonas Salk, MD, o Instituto é uma organização independente sem fins lucrativos e um marco arquitetônico.