Como o Instituto Salk descobriu a YAF9B na reparação do ADN em plantas

A luz solar dá energia às plantas, mas também pode desencadear alterações prejudiciais. Os mesmos raios que impulsionam o crescimento vão, ao mesmo tempo, causando quebras no ADN dentro das células vegetais.

Ao contrário de um animal, uma planta não consegue afastar-se do problema. Tem de reparar os danos exactamente no local onde está.

Uma nova investigação do Instituto Salk mostra que as plantas dispõem de uma proteína de reparação especial feita para essa tarefa.

Luz solar: essencial, mas prejudicial

As plantas vivem sob pressão constante. Luz solar, radiação, seca e solos pobres podem baralhar o código genético de que as suas células dependem.

Para se manterem saudáveis, activam sistemas de reparação que inspecionam o ADN dia e noite. Ainda assim, perceber como coordenam essas reparações - sobretudo nos tecidos responsáveis por gerar novas estruturas - tem sido difícil de determinar.

“Plants are unique because the same thing that gives them the ability to grow – sunlight – is constantly damaging their DNA,” disse Julie Law, professora no Instituto Salk.

“The question is, how do they cope with that level of DNA damage?”

Os danos escondem-se no empacotamento apertado

O trabalho de reparação complica-se por causa da forma como o ADN é armazenado.

Em cada célula, o ADN enrola-se firmemente em proteínas chamadas histonas, e esses conjuntos organizam-se num material denso conhecido como cromatina.

Este empacotamento mantém o genoma arrumado. Em contrapartida, pode ocultar uma zona partida - e uma equipa de reparação não consegue corrigir uma quebra a que não tem acesso.

“In order to repair damaged DNA, you first need to detect the damage and then recruit the proteins required to unwind the chromatin and repair the DNA,” afirmou Law.

Uma proteína que evoluiu para reparar o ADN

Para abrir este empacotamento, as plantas recorrem a proteínas auxiliares que funcionam como primeiros socorros. Estas proteínas relaxam a cromatina, encaminham as ferramentas de reparação para o local da quebra e ajudam a manter o processo no rumo certo.

Uma família importante destes auxiliares chama-se YAF9. É muito antiga e está presente em muitos seres vivos, mas nas plantas ganhou uma variação própria.

“The YAF9 family of proteins is found in yeast, animals, and plants,” disse Neeraja Vegesna, antiga estudante de doutoramento no laboratório de Law.

“But plants evolved a second version, YAF9B, that is specifically activated after DNA damage occurs.”

Assim, as plantas operam com duas versões. A YAF9A actua de forma generalista por toda a planta como auxiliar de reparação, enquanto a YAF9B é a especialista que se activa sobretudo quando ocorre dano.

Quando o sistema de reparação entra em funcionamento

A equipa testou ambos os genes ao expor plântulas a radiação que provoca quebras no ADN. A YAF9A manteve-se activa independentemente das condições.

A YAF9B comportou-se de outra forma. Permaneceu discreta quando estava tudo estável e respondeu de imediato assim que o ADN começou a partir.

Essa reacção é comandada por um interruptor de controlo chamado SOG1. O SOG1 liga-se a um pequeno sinal no gene YAF9B e activa-o após o dano; quando os investigadores baralharam esse sinal, a resposta deixou simplesmente de acontecer.

A proteína também foi selectiva quanto ao tipo de agressão. Ferramentas que quebram as duas cadeias do ADN despertaram-na, ao passo que frio, sal, calor e outros stressores, em geral, quase não a activaram.

Células estaminais recebem protecção extra

A activação da YAF9B não se verificou em toda a planta. A expressão foi mais intensa no ápice do rebento e nas pontas das raízes, zonas ricas em células estaminais.

Estas células estaminais dão origem a cada nova raiz, rebento e folha. Um erro aí acaba por ser copiado em tudo o que a planta formar a seguir.

“These stem cells are what generate the rest of the plant,” disse Law.

“The hypothesis is that the plant produces this factor to help protect those cells and give them a better chance of carrying out highly accurate DNA repair.”

Reparação rápida versus reparação precisa

As plantas conseguem remendar uma cadeia de ADN partida por mais do que um caminho. A via mais rápida, chamada junção de extremidades não homólogas, limita-se a colar as pontas soltas.

Essa rapidez tem um custo. A emenda costuma segurar, mas pode introduzir erros ou pequenas mutações.

A via mais lenta, reparação dirigida por homologia, reconstrói a região quebrada usando uma cópia limpa como guia. Demora mais tempo, mas preserva o código original.

Tanto a YAF9A como a YAF9B mostraram ser importantes para esta via mais cuidada.

Plantas mutantes têm dificuldade em recuperar

Para testar essa hipótese, a equipa criou plantas sem um ou ambos os genes YAF9. Numa avaliação geral de saúde, apenas as plantas sem os dois genes mostraram dificuldades, o que indicou que uma pode compensar a outra.

No entanto, um teste mais específico revelou uma história mais detalhada. Quando os investigadores analisaram apenas a via de reparação precisa, a perda de qualquer um dos genes, isoladamente, reduziu de forma acentuada a reparação - ou seja, as duas proteínas não são apenas versões permutáveis.

Também se associam a parceiros diferentes dentro da célula. A YAF9A junta-se a duas máquinas de reparação já conhecidas, enquanto a YAF9B se liga apenas a uma, formando uma versão especial preparada para situações de emergência.

Isto representa a primeira ligação, em plantas, entre essa máquina e a reparação de quebras.

“Accurate DNA repair is essential for maintaining genome stability, but it depends on many proteins working together within chromatin,” disse Law.

“What’s exciting about this study is that we identified YAF9B as a DNA damage-responsive chromatin reader that helps cells carry out high-fidelity DNA repair, revealing a novel innovation used by plants to protect their genomes.”

Podem surgir melhores culturas

O estudo tem implicações práticas. Ferramentas de edição genética como o CRISPR recorrem muitas vezes, nas plantas, à via rápida e propensa a erros, o que limita a forma “limpa” como os cientistas conseguem introduzir novos genes.

Compreender como as plantas favorecem a via mais precisa pode ajudar a alterar este cenário. A equipa quer agora perceber como estas proteínas dividem tarefas ao longo do processo de reparação.

“Our next goal is to understand how these chromatin effectors coordinate different stages of DNA repair and how exactly YAF9B promotes accurate and effective DNA repair,” disse Law.

“If we can understand how plants promote high-fidelity repair, we may eventually be able to improve genome editing technologies in plants,” acrescentou Law.