REPLICAÇÃO DE DNA EM PROCARIOTOS – A ORIGEM DA MITOSE NOS PRÉ-CARIOTOS

Procariotos e archaeas se reproduzem por fissão binária, uma forma de reprodução assexuada. Também é a forma de reprodução adotada por algumas organelas dos eucariotos (como por exemplo, as mitocôndrias, que são α-proteobacteria). Este processo de divisão celular resulta na produção de duas células procariótica (ou organelas) onde cada uma delas tem o mesmo material genético da célula-mãe (Carlson, 2007).

Neste tipo de divisão, a molécula de DNA é replicada, então cada cópia migra para uma parte diferente da membrana da célula. Quando as células começam a se separar, os cromossomos replicados e originais estão em locais distintos. A consequência deste método de reprodução assexuado é que as células resultantes são geneticamente idênticas. Isto significa que eles têm o mesmo material genético, com as mesmas mutações aleatórias que a sua “matriz”, a célula-mãe detém.

Assim, o processo de fissão binária das bactérias envolve: a replicação da molécula de DNA que esta organizada em um cromossomo circular no interior da célula; um movimento de cada DNA replicado para um dos pólos da célula; a célula aumenta de tamanho; e a a placa equatorial da célula contrai, separando a membrana plasmática de modo que cada nova célula tem exatamente o mesmo material genético.

Em bactérias, este processo é rápido e demora aproximadamente 20 minutos à temperatura ambiente, ou seja, uma única célula pode produzir milhões de descendentes, em apenas poucas horas. Em células eucarióticas, a reprodução assexuada ocorre um processo um pouco mais complexo, a mitose (Carlson, 2007).

Fissão binária em um Procarioto. 1) A bactéria antes de fissão tem o DNA enrolado. 2) O DNA da bactéria é desenrolado e replicado. 3) O DNA é puxado para os pólos separados da bactéria à medida que aumenta o tamanho, se preparando para a separação. 4) O crescimento de uma nova parede de célula começa a separar a bactéria. 5) A nova parede celular desenvolve-se inteiramente, resultando na separação completa da bactéria. 6) As novas células tem seu DNA enrolado novamente em hastes circulares, e tem seus proprios ribossomos e plasmídeos; constituindo novos organismos.

Fissão binária em um Procarioto. 1) A bactéria antes de fissão tem o DNA enrolado. 2) O DNA da bactéria é desenrolado e replicado. 3) O DNA é puxado para os polos separados da bactéria à medida que aumenta o tamanho, se preparando para a separação. 4) O crescimento de uma nova parede de célula começa a separar a bactéria. 5) A nova parede celular desenvolve-se inteiramente, resultando na separação completa da bactéria. 6) As novas células tem seu DNA enrolado novamente em hastes circulares, e tem seus próprios ribossomos e plasmídeos; constituindo novos organismos. Clique para ampliar

A ciência esta compreendendo como este processo de divisão surgiu, e como ele evoluiu de tal modo a consolidar, em eucariotos, a mitose, e posteriormente a meiose. Grande parte do conhecimento que há sobre este processo de divisão celular em procariotos vem de estudos moleculares feitos em eucariotos visando compreender melhor a origem e evolução da mitose. Ao estudar a mitose os geneticistas e biólogos moleculares notaram que muitos genes e estruturas proteicas participantes são homólogos á reprodução binária de bactérias e que também são homólogos a meiose. A meiose é vista como um processo diferenciado a partir da mitose, e ambos compartilham replicação d DNA, movimentos cromossômicos e estruturas em comum com a fissão binária. Desta forma, para compreender a eucariogênese e a origem do sexo, é necessário compreender a homologia existente entre esses três tipos de divisão celular. Trataremos hierarquicamente de cada uma dessas divisões, inicialmente introduzindo processos básicos da divisão binária; posteriormente, uma descrição da mitose e da meiose retratando suas respectivas homologias. Para melhor compreensão de todo o processo sugere-se a leitura dos três processos, já que são evolutivamente relacionados (Boulay, 2010).

A Replicação do DNA

Desde o trabalho de Woese e Fox (1977), a vida na Terra é classificada em três principais linhagens evolutivas: Archaea, Bactérias e Eukarya, embora estudos recentes possam modificar este modo de classificação. Em termos de origem de replicação de DNA nos cromossomos, as bactérias normalmente têm uma origem de replicação única (chamada de OriC) e organismos eucarióticos tem várias origens de replicação. Archaeas ficam em uma posição intermediária (Leonard e Mechali, 2013).

Uma OriC é um ponto de partida para a replicação e não há duas origens funcionais usadas no mesmo cromossomo, embora recentemente biologos tenham construído células de Escherichia coli com duas origens de replicação funcionais idênticas (Wang et al, 2011). Com o desenvolvimento de metodologias de biologia sintética e síntese de cromossomos sintéticos, organismos artificialmente projetados mudam as regras genéticas do jogo (Gao, 2015).

Com base em métodos específicos de estudo (como o Z-curve) e genômica comparativa identificou-se que OriCs em genomas bacterianos e archaeal tem alta precisão e confiabilidade molecular (Gao e Zhang, 2008; Luo et al, 2014).

Em archaeas, estudos sobre a maquinaria de replicação do DNA revelam uma mistura dos atributos encontrados em bactérias e eucariotas (Grabowski e Kelman 2003; Barry e Bell, 2006). Embora a maioria (mas não todos) dos pequenos genomas archaeais sejam circulares, vários grupos levam consigo uma cópia do OriC, e muitas espécies carregam várias cópias (Kelman e Kelman 2004; Robinson e Bell 2007), que podem corresponder a complexos iniciadores de replicação de DNA distintos. Por exemplo, existe um iniciador archaeal Cdc6/Orc1 (Matsunaga et al, 2010) que tem extensa homologia de sequência com proteínas ORC de eucariótos (Wigley 2009), e também compartilha atributos da proteína DnaA e reguladores de do ATP (moeda energética das células) (Lundgren & Bernander, 2005).

Todos esses iniciadores são proteínas que ativam a replicação de DNA. Por exemplo, a DNAa é um fator de iniciação de replicação que promove o desenrolamento de DNA em OriC. O início da fase de iniciação da replicação do DNA é determinado pela concentração da proteína DnaA. Quando se acumula durante o crescimento, desencadeia a iniciação da replicação. Ativando a ligação uma chamada 9-mer (9-pb – 5′-TTATCCACA-3′) que repete em OriC (Foster & Slonczewski, 2009).

Embora o número, orientação e espaçamento das regiões de origem de replicação variem entre os gêneros archaeais, dois pontos de origem de replicação predominantes existes. Um é longo (com 22-35pb e dupla simetria) encontrado em Sulfolobus, Pyrococcus e Aeropyrum (Grainge et al, 2006; Dueber et al, 2007; Gaudier et al, 2007); e uma versão curta (com 12-13 pb), que coexiste com Pyrococcus (Matsunaga et al, 2010) e Sulfolobus (Dueber et al, 2007).

Há também o complexo Cdc6, que é um regulador essencial da replicação de DNA e desempenha um papel importante na ativação e na manutenção dos mecanismos de checkpoint do ciclo celular que coordenam a fase S e a mitose (fase de síntese e de divisão celular com duas celulas 2n). Embora os complexos Cdc6/Orc1 alterem o padrão de rede de atuaçao do DNA e levem a origem do desenrolamento cromossômico (Matsunaga et al, 2010), a origem de replicação difere em interações DnaA-OriC de várias maneiras. Cada interação Cdc6/Orc1 distorce a hélice de DNA em um grau maior do que é visto durante a montagem bacteriana de um complexo molecular de pré-replicação (pré-RC) (Gaudier et al, 2007;. Dueber et al, 2011). A formação do pré-RC é necessária para a replicação do DNA ocorrer, pois ela gera uma replica completa e fiel do genoma, garantindo que cada célula filha vai levar a mesma informação genética que a célula-mãe.

Em eucariotos os estudos geralmente são conduzidos em Saccharomyces cerevisiae, e as origens da replicação do DNA foram definidas por sua capacidade de conferir a replicação autônoma (Stinchcomb et al, 1979; Bell e Stillman 1992; Theis e Newlon 1994), ou por sequências de replicação autônoma, que contêm as sequências específicas de 11bp a 17pb (Dhar et al, 2012).

Essas sequências específicas tem um sítio de ligação para a origem de replicação, um fator que serve de plataforma para as proteínas pré-RC se manifestarem. Em metazoários, apesar da identificação de várias proteínas envolvidas na iniciação da replicação do DNA ser conhecida (a maioria, mas não todas, conservadas desde leveduras até seres humanos), ainda não se sabe como elas atuam precisamente.

Aspectos evolutivos da mitose

Cromossomos eucariótas normalmente são múltiplos e lineares. Eles nunca se ligam diretamente a membrana de plasma de superfície celular. Estão fixados e rodeados por um sistema endomembranar especializado chamado envelope nuclear, isto durante a interfase (uma etapa do ciclo celular quando a célula cresce, os genes são transcritos e o DNA é replicado). Durante a divisão celular, os cromossomos eucarióticos são compactados (em heterocromatina), impedindo a transcrição ou replicação, e são anexados pelos seus centrômeros aos microtúbulos do fuso mitótico, que as move em direção as células filhas.

A árvore da vida e as principais etapas na evolução celular. Archaebacteria são irmãs ed eucariotos e, ao contrário das suposições generalizadas, o mais novo filo bacteriano. Esta configuração de árvore, juntamente com perdas extensivas de propriedades de Posibacteria pelas arqueobactérias ancestrais, explicam (sem transferência lateral de genes) como eucariotas possuem uma combinação única de propriedades agora vista em arqueobactérias, Posibacteria e α-proteobactérias. As origens eucariotas em três etapas indicadas por asteriscos, imediatamente seguido da divergência dos precursores de arqueobactérias e eucariotas do Neomurano ancestral. Este antepassado surgiu a partir de uma haste Posibacteria actinobacterial por um processo evolutivo de organização bacteriano (Revolução neomuran). Nela, glicoproteínas foram substituídas por mureinas; ribossomos evoluiram um domínio de reconhecimento de sinal; histonas foram substituídas pela DNA-girase, mudando radicalmente a replicação do DNA, reparo e enzimas de transcrição. O Eukarya representada uma fase inicial hipotética após a origem do núcleo, mitocôndria, cílio e esqueleto microtubular que antes eram distinto anterior e posterior nos cílios e na transformação do centríolo e ciliosque evoluíram (provavelmente no eucariota ancestral). Chromista foram recentemente expandidos e incluiram não só os grupos originais Heterokonta, Cryptista e Haptophyta, mas também Alveolata, Rhizaria e Heliozoa, deixando o nome Chromalveolata agora desnecessário. Excavata agora exclui Euglenozoa e compreende apenas três filos: Percolozoa ancestralmente aeróbios, Loukozoa e o Metamonada ancestralmente anaeróbia (por exemplo, Giardia, Trichomonas), que evoluíram de um Loukozoa relacionados aeróbico (Malawimonas).

A árvore da vida e as principais etapas na evolução celular. Archaebacteria são irmãs ed eucariotos e, ao contrário das suposições generalizadas, o mais novo filo bacteriano. Esta configuração de árvore, juntamente com perdas extensivas de propriedades de Posibacteria pelas arqueobactérias ancestrais, explicam (sem transferência lateral de genes) como eucariotas possuem uma combinação única de propriedades agora vista em arqueobactérias, Posibacteria e α-proteobactérias. As origens eucariotas em três etapas indicadas por asteriscos, imediatamente seguido da divergência dos precursores de arqueobactérias e eucariotas do Neomurano ancestral. Este antepassado surgiu a partir de uma haste Posibacteria actinobacterial por um processo evolutivo de organização bacteriano (Revolução neomuran). Nela, glicoproteínas foram substituídas por mureinas; ribossomos evoluiram um domínio de reconhecimento de sinal; histonas foram substituídas pela DNA-girase, mudando radicalmente a replicação do DNA, reparo e enzimas de transcrição. O Eukarya representada uma fase inicial hipotética após a origem do núcleo, mitocôndria, cílio e esqueleto microtubular que antes eram distinto anterior e posterior nos cílios e na transformação do centríolo e ciliosque evoluíram (provavelmente no eucariota ancestral). Chromista foram recentemente expandidos e incluiram não só os grupos originais Heterokonta, Cryptista e Haptophyta, mas também Alveolata, Rhizaria e Heliozoa, deixando o nome Chromalveolata agora desnecessário. Excavata agora exclui Euglenozoa e compreende apenas três filos: Percolozoa ancestralmente aeróbios, Loukozoa e o Metamonada ancestralmente anaeróbia (por exemplo, Giardia, Trichomonas), que evoluíram de um Loukozoa relacionados aeróbico (Malawimonas). Clique para ampliar

Compreender esses fenômenos nucleares, portanto, requer a compreensão da co-evolução de cerca de 27 componentes celulares, bem como de que maneira eles se tornaram funcionalmente interligados no ciclo de vida eucariótico (Cavalier-Smith, 2002 & 1988) a aproximadamente 850 milhões de anos atrás, segundo o modelo Neomurano de Cavalier-Smith (2010). Além da necessidade de compreender como tudo isto surgiu nos primeiros 2 bilhões de anos de evolução de bactérias (Cavalier-Smith, 2006) até a eucariogenese. Não só a mitose, mas também o sexo, meiose e singamia (célula e fusão nuclear) devem ter evoluído ao mesmo tempo segundo Cavalier-Smith. Esta conclusão é independentemente do fato da árvore eucariota estar classificada como um unikonta (grupo onde estão classificados os animais, fungos e 3 filos de protozoários) e bikontas (plantas cromistas, e todos os outros filos protozoário)(Richards, Cavalier-Smith 2005 & Stechmann, Cavalier Smith, 2003) ou em vez disso, entre Euglenozoários e todos os outros eucariotas alinhados com o grupo Eozoa (Euglenozoa mais escavata) (Cavalier-Smith, 2009).

Peroxissomos, mitocôndria, centríolos, dictiossomos, cílios e complexo de Golgi também devem ter se originado antes do último ancestral comum de todos os eucariontes existentes (LECA, sigla em inglês para last eukaryotic common ancestor) (Cavalier-Smith, 2006). Antes de tudo isto surgir, a Terra era um lugar sem sexo, puramente bacteriano e viral. Depois dos eucariontes o sexo surgiu, um sistema endoesquelético rudimentar em procariotos evoluiu em eucariotos permitindo maior complexidade morfológica celular, dando origem as diatomáceas, borboletas, corais, baleias, musgos e árvores.

O sexo começou mesmo antes do envelope nuclear, ou seja, em uma fase de evolução pré-carióta onde suas vantagens seletivas foram dominantes. Segundo Cavalier-Smith (2010), mecanismos físicos específicos culminaram na evolução e arquitetura do envelope nuclear e explicam as principais consequências genéticas. Linhagens pré-mitocondrial iniciais de eucariótas sobreviveram e deram origem as linhagens existentes com suas respectivas relíquias mitocôndriais (Hampl et al, 2009).

O LECA certamente tinha dois centríolos e cílios por célula filha. Centríolos provavelmente são duplicados no início da fase S e os dois centríolos parentais teriam se separado antes da divisão, cada um sendo associado a um novo centríolo-filho como ocorre em todos os eucariotas ciliados já estudados pela ciência. Como o grupo mais próximo de Euglenozoários é o filo excavate Percolozoa (Heterolobosea e seus parentes) (Hampl et al, 2008), isto é importante para a compreensão da origem da mitose, pois ambos (Percolozoa e Euglenozoa) tem mitose intranuclear com um envelope nuclear intacto e um nucléolo que divide-se. Isto é o oposto do que ocorre na mitose aberta, encontrada em animais e plantas, onde o nucléolo e o envelope nuclear dispersam-se antes da metáfase. Assim sendo, a posição da raiz de onde surgem os eucariotos provavelmente fica entre Euglenozoa e Percolozoa e significa também que no eucarionte ancestral (como em ambos os filos) os centríolos não estavam diretamente nos polos do fuso, mas foram indiretamente ligados a eles por um citoesqueleto fibrilar citoplasmático. Além disso, o filo não era ancestralmente amebóide, e seu ancestral comum teria tido um córtex celular semi-rígido, bem desenvolvido e apoiado por microtúbulos corticais longitudinais. Assim, tanto a mitose e quanto os outros tipos de divisão celular, provavelmente evoluíram em uma célula com a superfície semi-rígida na qual estabilizava os primeiros eucariotas, permitindo a segregação do DNA de forma relativamente precisa, seguido da perda da parede celular eubacteriana (Cavalier-Smith, 1981).

Muitas megaevoluções ocorrem sem qualquer tipo de simbiogênese; apenas cinco eventos megaevolucionários na história de vida tinham simbiogênese envolvido. Na origem dos reinos Plantae e Chromista (agora chamado de Chromalveolata) (Cavalier-Smith, 2009), dos Chlorarachniophyte Cercozoa e Euglena, com o aprisionamento simbiogenético interno de uma célula fotossintética que foi o evento determinante central; em todos os casos, a fagocitose tomou conta do indivíduo engolfado ser uma “pre-adaptação”. O quinto caso, refere-se exatamente a origem de eucariotas (eucariogênese).

A evolução dos eucariotos por uma Posibacteria, enfatiza mudanças no DNA causadas pela segregação e internalização de anexos de DNA à membrana. (A). Um anel de FtsZ entre os DNAs das fitas filhas terminais (T) que divide as bactérias; MreB (azul)é uma apredei de mureina que controla a forma da célula (marrom). (B). Efeitos perturbadores da fagotrofia. Esquerda: glicoproteínas flexíveis (amarelo) substituídas por mureina, permitindo MreB se tornar actina (azul) e realizar uma potencial fagocitose que internalizou anexos de DNA à membrana (centro); a evolução da vesícula revestida e fusão com a membrana plasmática após perda de revestimento formou endomembranas permanentes (EM: precursor do Retículo endoplasmatico, NE: velope nuiclear; Golgi, lisossomos; peroxissomos (P) separados mais cedo) interrompendo a segregação DNA bacteriano. (C). Origem hipotética de uma mitose simples em uma pré-carioto onde duplicações de genes evoluíram em microtúbulos FtsZ estáveis e centrômeros γ-contendo tubulina ainda ligada à superfície da membrana. (D). Acidentes na duplicação do centrossomo e internalização membrana fagotrófica gerou um pré-carioto mais complexo em que endomembranas estáveis diferenciadas em peroxissomas (P) e proto-endomembranas (EM, isto é, os antepassados de Retítculo endoplasmático e complexo de Golgi), tendo alguns associados com o centrossomos internalizadas e DNA; outros centrossomos permaneceram na superfície da célula estabilizando-a; o anel de actina no local controla a citocinese. Em última análise, o centrossomo de superfície gerado pelos microtúbulos peliculares, microtúbulos do centríolo, e cilios do eucarioto ancestral; MNC associada ao ret. Endoplasmático e funso intracelular. (E). O primeiro eucariota. (F). Adicionando poro nuclear, mitocôndrias, cílios, linearização dos cromossomos e evolução do cinetocóro formou o eucarioto ancestral, mostrado no G1 do ciclo celular; a ingestão bacteriana foi suportada através de um microtubulo chamado citostoma (CY) na extremidade apical ciliar, tornando a célula assimétrica.

A evolução dos eucariotos por uma Posibacteria, enfatiza mudanças no DNA causadas pela segregação e internalização de anexos de DNA à membrana. (A). Um anel de FtsZ entre os DNAs das fitas filhas terminais (T) que divide as bactérias; MreB (azul)é uma parede de mureina que controla a forma da célula (marrom). (B). Efeitos perturbadores da fagotrofia. Esquerda: glicoproteínas flexíveis (amarelo) substituídas por mureina, permitindo MreB se tornar actina (azul) e realizar uma potencial fagocitose que internalizou anexos de DNA à membrana (centro); a evolução da vesícula revestida e fusão com a membrana plasmática após perda de revestimento formou endomembranas permanentes (EM: precursor do Retículo endoplasmatico, NE: velope nuiclear; Golgi, lisossomos; peroxissomos (P) separados mais cedo) interrompendo a segregação DNA bacteriano. (C). Origem hipotética de uma mitose simples em uma pré-carioto onde duplicações de genes evoluíram em microtúbulos FtsZ estáveis e centrômeros γ-contendo tubulina ainda ligada à superfície da membrana. (D). Acidentes na duplicação do centrossomo e internalização membrana fagotrófica gerou um pré-carioto mais complexo em que endomembranas estáveis diferenciadas em peroxissomas (P) e proto-endomembranas (EM, isto é, os antepassados de Retítculo endoplasmático e complexo de Golgi), tendo alguns associados com o centrossomos internalizadas e DNA; outros centrossomos permaneceram na superfície da célula estabilizando-a; o anel de actina no local controla a citocinese. Em última análise, o centrossomo de superfície gerado pelos microtúbulos peliculares, microtúbulos do centríolo, e cilios do eucarioto ancestral; MNC associada ao ret. Endoplasmático e funso intracelular. (E). O primeiro eucariota. (F). Adicionando poro nuclear, mitocôndrias, cílios, linearização dos cromossomos e evolução do cinetocóro formou o eucarioto ancestral, mostrado no G1 do ciclo celular; a ingestão bacteriana foi suportada através de um microtubulo chamado citostoma (CY) na extremidade apical ciliar, tornando a célula assimétrica. Clique para ampliar

Uma forma simples de mitose provavelmente se originou antes de o núcleo celular (imagem C), mas a versão moderna é mais complexa, e sua elaboração certamente co-evoluíu com a origem deste núcleo. Um núcleo não pode evoluir sem um meio relativamente eficiente de segregação do DNA, tornando enganoso considerar a origem do núcleo por si só, como muitos cientistas fizeram e eventualmente postulam. Segundo as evidências, o complexo do poro nuclear, o transporte nucleocitoplasmático e da cromatina (bem como os acessórios do complexo poro nuclear e do envelope membranar interior), as principais características do núcleo celular evoluíram por meio da integração estrutural e funcional de novas duplicações de proteínas-chave pré-existentes cujas funções básicas originalmente evoluíram separadamente das funções mitóticas e da cromatina. A origem das endomembranas e da mitose parte de certos pré-requisitos essenciais para a origem do envelope nuclear, complexo poro nuclear e compartimentação nucleocitoplasmático que já haviam ocorrido.

Para que ocorra a transição a partir de DNA bacteriano até o a segregação eucariótica (Cavalier-Smith, 1981), três processos principais ocorreram; Primeiro, uma alteração no momento da replicação do DNA em relação à separação mecânica. Neste momento, ambos os processos são distribuídos por quase todo o ciclo celular em bactérias e nas origens da replicação são separados (Gruber et al, 2009) bem antes da replicação ser concluída, enquanto que em eucariotos a replicação é concluída antes da separação de cromátides irmãs começar; O segundo passo ocorreu com a origem do ciclo de condensação do cromossomo eucariótico, no qual o DNA é relativamente disperso e não há replicação e transcrição, mas é tipicamente mais condensado durante a mitose; Em terceiro lugar, uma alteração topográfica dos cromossomos deveria estar geometricamente ordenada na superfície da membrana celular bacteriana e a parede cromossômica estaria ligada ao envelope nuclear na interfase durante a replicação, mas em vez disso estão ligadas aos microtúbulos do fuso mitótico durante a divisão celular.

Os microtúbulos do fuso mitótico consistem em α- e β-tubulina, proteinas nucleadas pela γ-tubulina no núcleo do centrossomo; quando estas e outras tubulinas universais evoluíram por duplicação gênica nas bactérias, foram submetidas a tais mudanças radicais em um curto espaço de tempo e agora têm apenas pequenas semelhanças sequenciais de suas versões homólogas bacterianas; FtsZ e TubZ (Chen & Erickson, 2008).

Geralmente, assume-se que a tubulina evoluiu a partir de tubulina FtsZ (Löwe & Amos, 2009), cujos filamentos formam o núcleo do Z-ring marcando o local de divisão na maioria das bactérias, cloroplastos e mitocôndrias mais primitivas. Recentemente foi descoberto uma enzima GTPase TubZ que forma um filamento duplo importante para a segregação do DNA em determinados plasmídeos de Bacillus posibacterium, formando o melhor análogo da tubulina, uma vez que parece ter propriedades semelhantes de nivelamento molecular e pode estar envolvido na movimentação das moléculas irmãs de DNA (Chen & Erickson, 2008), ao contrário do FtsZ que é mais um marcador morfogenético para guiar a maquinaria de cisão da membrana. O fato de TubZ coexistir em células com FtsZ significa que as suas propriedades de separação de DNA pode evoluir sem, abandonar a função do marcador FtsZ. Isso sugere que tubulinas evoluíram a partir de qualquer um parente precoce de TubZ ou é um parálogo que evoluiu independentemente de FtsZ e que funcionava de forma semelhante na segregação DNA de plasmídeo.

As TubZ evoluíram muito mais rápido do que qualquer tubulina ou FtsZ porque interagem muito menos com outras proteínas e são extremamente divergentes em sequência. Durante as origens de α- e β-tubulina numerosas novas funcionalidades evoluíram permitido que elas formassem dímeros com protofilamentos para formar microtúbulos e γ-tubulina paraformar um nucleo. (Vaughan et al, 2004).

As proteínas de manutenção estrutural dos cromossomos (SMC, sigla em inglês) têm homólogos em todos os organismos e são essenciais para a segregação preciso DNA. SMC são proteínas gigantes com um domínio globular em cada extremidade e uma estrutura enrolada helicoidalmente ao longo no meio. Elas são bem conservadas e utilizadas para estabelecer árvores filogenéticas a partir de suas seqüências moleculares (Cobbe Heck, 2004) e são melhores que as proteínas comumente usado para a filogenia de procariotos (Cox et al, 2008).

Durante a eucariogenese duas duplicação gênicas geraram quatro estruturas moleculares parálogas desta proteína (Cobbe Heck, 2004): SMC1 e SMC3 que formam um cohesin ligada ao kleisina ssc1; e a SMC2 e SMC4, que forma a condensina I através da ligação de kleisina CAP-H (ou PAC-H2 em condensina II que evoluiu mais tarde no grupo dos animais).

A condensação dos cromossomos, a separação e todos os outros aspectos da mitose no ciclo celular são regulados por quatro famílias proteicas claramente relacionadas entre si em eucariotos. São proteínas serina/treonina (S/T): proteínas cinases de Cdk, Nek, Aurora e Polo. Todas estão presentes nos eucariotas mais divergentes (Euglenozoa) e foram originadas por duplicação de genes do ancestral eucarioto. Seus parentes mais próximos e de muitas outras famílias eucarióticas de quinases S/T é a família de quinases eubacterianas PKN2 que são amplamente presentes em Posibacteria e cianobactérias. Curiosamente não estão em archaeobacterias (Leonard et al, 1998). É quase certo que elas foram verticalmente transmitidas de Posibacteria aos Neomuranos ancestrais e imensamente multiplicada por eucariotas.

Embora as quinases archaebacteriais S/T sejam mais difundidas (Krupa & Srinivasan, 2005) do que se pensava, a aparente ausência das quinases PKN da subfamília S/T regulando o ciclo celular é outra razão pela qual as arqueobactérias, ao contrário de Posibacteria, não poderiam ser ancestral de eucariotos.

É importante ressaltar que, assim como os cromossomos segregam na mitose, outras organelas também migram para os polos opostos. A duplicação do complexo de Golgi e centríolos também são reguladas por algumas destas quinases do ciclo celular para que todos os mecanismos de segregação devam ter co-evoluído juntos. Proteínas quinases Polo (reguladores do ciclo celular, formação e mudanças no fuso mitótico e na ativação do complexo CDK/ciclina) são essenciais para a duplicação do centríolo e do complexo de Golgi, bem como a separação de cromossomos em Euglenozoa (Bessat & Ersfeld, 2009).

Em Tripanossomas a quinase Aurora tem funções básicas mais diversas no ciclo celular (Tu et al, 2006) do que a Polo, sugerindo que ele poderia ter sido a quinase original da mitose; com um envolvimento na duplicação centríolo, segregação DNA mitocondrial e citocinese (Hammarton et al, 2007) sugerindo também uma divisão do trabalho entre as duas quinases no que diz respeito à segregação cromossômica (Aurora) e a segregação organela citoplasmática (Polo).

A mitose em um grupo exacavata-eucarioto chamado Discicristata é sempre fechada com fusos intranucleares com um microtúbulo centro-nuclear. Os microtúbulos citoplásmicos estão presentes ao longo do ciclo celular e dividem-se longitudinalmente por um sulco de clivagem ântero-posterior depois de separar os centríolos. Além disso, em todos Discicristata a divisão de nucléolos na mitose em forma haltere não desmonta-e-remonta como ocorre em eucariotas superiores.

Assim, a mitose aberta de animais e de plantas streptophytas (embriófitas terrestres e as algas Charophyte ancestrais) onde o nucléolo e o envelope nuclear são desmontados durante a prófase e são reagrupados na telofase. Estas, são adaptações secundárias claramente convergentes e que provavelmente evoluíram por motivos de maior tamanho da célula e controle de concentrações de cálcio (Cavalier-Smith, 1982) mas que podem complicar a compreensão da origem da mitose. A fragmentação nucleolar evoluiu em excavata após os Loukozoa e Percolozoa divergirem, o fechamento da mitose foi feito por excavatas, pelo Neozoa ancestral e unikontas ancestrais, sendo retidos por fungos e apusozoa e corticates (alveolatas, algas vermelhas e muitas clorofíceae alga verde).

A mitose evoluiu de forma independente a partir de animais e plantas verdes dentro streptophytas, e entre Amoebozoa, unikontas e muitos outros grupos alveolata chromistas. É notável que Eozoa e alveolatas têm mais centrinas paralogas, do que os eucariotos derivados (Mahajan et al, 2008).

Em plantas streptophytas, o antepassado de Chlamydomonas perdeu todas as centrinas paralogas com exceção de uma, quando ela evoluiu uma mitose semi-aberta em que o envelope nuclear se rompe durante a mitose somente perto dos pólos do fuso permitindo microtúbulos centrossomais citoplasmáticos penetrarem na abertura polar e entrarem em contato com os cromossomos que permanecem no interior do resto do envelope nuclear (Cavalier-Smith, 1974).

Assim, a divisão celular no Eozoa ancestral foi como uma “casa de boneca russa”, onde havia uma semi-eixo nuclear (ligado à face interna da membrana nuclear interna) contido dentro de um semi-eixo maior (ligado à face interna da membrana plasmática), ambos são mutuamente ligados e sua duplicação e separação. Paradoxalmente, a própria complexidade da arquitetura celular de de Eozoa torna muito mais fácil de entender como a mitose evoluiu.

Para Cavalier-Smith (1987) a origem da mitose esta ligada ao maior semi-eixo citoplasmático, que é em muitos aspectos semelhante a versão pré-cariotica ancestral que evoluiu apenas no momento da internalização cromossômica, o que deve ter sido acompanhado pela duplicação permanente e diferenciação dos microtúbulos nucleares criando divergentes versões evolutivas separadas para o plasma e divisão de membrana nuclear: a divisão das duas membranas era tão importante quanto a divisão do cromossomo, e todos os três tiveram de ser coordenados por anexos físicos diretos de cada proteína do citoesqueleto.

As diversas pressões podem ter impulsionado de forma radical a origem da mitose (Cavalier-Smith, 1981, 1987 e 2002), e possivelmente a transição. Os intermediários sofriam com divisões desiguais multigenômicas transitórias que produziriam células isentas de DNA (com menor freqüência). Se a célula de transição tinha uma vantagem compensatória e excepcionalmente forte que a diferenciasse completamente de todos os concorrentes bacterianas (como fagocitar outras células) poderia ainda aproveitar o sucesso líquido da reprodução para um rápido crescimento da populacional, apesar da desvantagem de gerar uma proporção de filhas que eventualmente poderiam não ter DNA e morrer.

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Coanoflagelado. Clique para ampliar

Além disto, várias mutações fazem cromossomos separados espalhar-se automaticamente, com ocorre na mitose, diferentemente de sistemas bacterianos, que podem lidar com muitas delas (Cavalier-Smith, 1981). Assim, as características de cromossomos eucariontes são consequências da origem da mitose somada a pressão de mutação e não a seleção positiva (Cavalier-Smith, 1981). É de grande importância lembrar também que a proteína RanGTP está intimamente envolvida na montagem do fuso mitótico através da promoção do cinetocóro e funções do centrossoma de tal forma que a origem da mitose foi tão crucial para a sobrevivência das primeiras células pré-cariotas que suas principais características possivelmente evoluíram muito antes do núcleo (Cavalier-Smith, 1987 e 2002), dando respaldo ao modelo de Cavalier-Smith. É possível, e bem provável que a função inicial do sistema Ran foi crucial para a mitose (Jékely, 2003) de tal forma que as primeiras células pré-cariotas estavam “pré-adaptadas” a origem e subsequente formação de um núcleo. A proteina RanGTP promove a reunião dos microtúbulos nos cinetócoros, e sua ligação com a cromatina pode ter sido formada originalmente por este motivo e manteve-se evoluíndo. A cromatina pré-existente explica como a montagem do envelope (sob o controle da RanGTPase) foi organizada desde o início. Se as características básicas do ciclo RanGTP/GDP já existiam antes da origem do núcleo, isto facilitou a formação do núcleo e mitose.

Além disto, é possível notar que muitos genes paralogos foram selecionados cedo para células somáticas e oócitos. A robustez mecânica de uma lâmina proteica nuclear é reversível que pode ser desmontada na mitose pode ter sido mais simples de conseguir através da fragmentação de todo o envelope; assim mitose aberta (Güttinger et al, 2009) provavelmente evoluiu simultaneamente com a lâmina nuclear ancestral das células animais. Em coanoflagelados, o grupo externo mais próximo aos animais, apresentam mitose semi-aberta (Karpov & Mylnikov, 1993), o que torna-o provável o ancestral unicelular direto de animais.

Uma espécie convergente de lâmina proteica nuclear ocorre na mitose aberta de Lobosa, e mas é fechada em dinoflagelados, com fuso mitótico extranuclear. A mitose peculiar de dinoflagelados em que cinetócoros são incorporados no envelope nuclear já foi proposta como modelo para uma versão inicial da mitose antes dos microtúbulos evoluírem, mas essa ideia tornou-se insustentável quando foi descoberto que elas têm microtúbulos. Claro, também foi reconhecido que dinoflagelados são muito complexos e não podem ser definido como eucariotas primitivos (Cavalier-Smith, 1981). Ainda sim, a mitose de dinoflagelados seja peculiar e talvez seja pertinente para a origem da meiose porque os telômeros são igualmente movido no envelope nuclear (Hiraoka & Dernburg, 2009). A meiose é um tipo de divisão celular, utilizada para a formação de gametas, que ocorre em células diploides e leva à formação de 4 células haplóides.

Embora o movimento dos cinetocóros de dinoflagelados possam utilizar a mesma maquinaria citoplasmática (microtúbulos e a proteina dineína) como ocorre com os telômeros na meiose, é provável que a ligação de ambos dependa da membrana interna que é muito improvável auxiliar proteínas de ligação (por exemplo a Bqt1-4) nos telômeros (Chikashige et al, 2009).

Independentemente de dinoflagelados, o grupo Parabasalia (Metamonada) evoluiu envelopes nucleares com centrômeros embutidos e fuso extranuclear, mas eles são igualmente irrelevantes para a origem da mitose ou meiose, apesar de eventualmente serem mencionados.

Como mencionado acima, a meiose é provável que tenha surgido antes da origem do envelope nuclear, provavelmente, logo que a primeira forma de mitose evoluiu com centrossomas e centrômeros primitivos, dando uma vantagem seletiva inigualável; a capacidade de corrigir erros de ploidia que teriam então sido mediados por coesinas, os precursores moleculares essenciais da maquinaria meiose, que até este momento já haviam surgido.

Ela explica tanto sua origem mecanicista, quanto como foi selecionada. Por ter surgido anterior a todo o processo, demonstra também a origem do envelope nuclear, precedendo a evolução da fusão nuclear, que, na ausência da meiose não tem nenhuma lógica ou vantagem evolutiva. A redução da ploidia é uma força evolutiva real, poderosa e experimentalmente demonstrável (Gerstein et al, 2008). Assim, a origem do sexo não poderia, então, ocorrer antes da origem dos novos controles do ciclo celular eucarióticos na mitose.

Origem de duas fases do envelope nuclear e transporte trans-envelope. (A). Nucleoporinas formam um arcabouço cilíndrica octagonal evoluído por duplicações de proteínas de revestimento (COPII) e vesículas secretoras com α-solenóide e/ou domínios β-hélice, sendo anexados pela membrana integral das nucleoporinas descendentes de proteínas da membrana actinobacterial; (B). O mumens dos poros nucleares foram estreitados por tampões de nucleoporinas que formam uma malha semelhante a gel dinâmico que impede a difusão passiva de complexos macromoleculares e medeia troca nucleocitoplasmática de forma ativa especificamente orientada por complexos de transporte, geralmente constituídos por grandes proteínas carioferina e suas cargas, seja ligada diretamente ou através de adaptadores. (C). A fase mostra a fusão RanGTPase completa mediada pelo reticulo endoplasmatico rugoso impedido que roteínas de revestimento COPII (em preto) permaneçam no local para se tornar arcabouços de poros nucleares octogonais.

Origem de duas fases do envelope nuclear e transporte trans-envelope. (A). Nucleoporinas formam um arcabouço cilíndrica octagonal evoluído por duplicações de proteínas de revestimento (COPII) e vesículas secretoras com α-solenóide e/ou domínios β-hélice, sendo anexados pela membrana integral das nucleoporinas descendentes de proteínas da membrana actinobacterial; (B). Os lúmens dos poros nucleares foram estreitados por tampões de nucleoporinas que formam uma malha semelhante a gel dinâmico que impede a difusão passiva de complexos macromoleculares e medeia troca nucleocitoplasmática de forma ativa especificamente orientada por complexos de transporte, geralmente constituídos por grandes proteínas carioferina e suas cargas, seja ligada diretamente ou através de adaptadores. (C). A fase mostra a fusão RanGTPase completa mediada pelo retículo endoplasmatico rugoso impedido que proteínas de revestimento COPII (em preto) permaneçam no local para se tornar arcabouços de poros nucleares octogonais.

De acordo com a presente teoria co-evolucionária, proposta por Cavalier-Smith, a origem do núcleo dependeu da evolução de um sistema endomembranar anterior, criando uma forma de mitose primitiva, provocada tanto pela associação quanto pela origem da fagocitose. A teoria de vários estágios anteriores para a origem simultânea de mitose e da matriz de microtúbulos dos primeiros eucariontes Discicristata explica a transição citoesquelética das Posibacteria, e estruturas de divisão celular eucarióticas. As novas interpretações das origens da heterocromatina e seu controle posicional lança luz sobre a origem do envelope nuclear e os complexos poros nucleares por fusão de vesículas integrando um vasto corpo de dados de biologia molecular e celular em uma imagem coerente da compartimentação e de como o nucleocitoplasmático se originou, com mecanismos plausíveis e vantagens seletivas para cada etapa.

A discussão sobre a origem da meiose explica a origem do sexo e dos ciclos de vida eucarióticos com alternância de níveis de ploidia como o resultado quase inevitável desses novos mecanismos de mitose, controle e compartimentação celular, dada a necessidade de reduzir o ciclo celular erros da ploidia, maximizar a sobrevivência em estados dormentes induzidas pela necessidade alimentar ou adversidade ambiental que impede o crescimento e exigências contrastantes para maximizar as taxas de reprodução quando o alimento é abundante. Isso tudo ocorre dentro de um contexto filogenético criticamente interpretado por Cavalier-Smith, tanto para as partes ancestrais bacterianas quanto para os grupos derivados, eucarióticos da árvore da vida, o que é consistente com todas as principais linhas de evidência, molecular, celular e paleontológicas, todas em favor de uma explicação natural evolucionária.

Victor Rossetti

Palavras Chave: NetNature, Rossetti, Replicação, DNA, Fissão binária, Procariotos, Oric, Mitose, Meiose, Envelope Nuclear, Cinetocóro, Cromossomos, Citoesqueleto, Microtubulos, Tubulinas, Pré-Cariota, Eucariogenese.

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