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A meiose é a divisão celular especializada utilizada para a criação de gametas (óvulos e espermatozoides/pólen) em todos os organismos sexualmente reprodutores 1,2. A recombinação cruzada é a troca recíproca de DNA entre cromossomos homólogos; é essencial para a meiose, fornecendo uma importante fonte de diversidade genética e promovendo a estabilidade do genoma através das gerações. Os cromossomos que não conseguem formar pelo menos um cruzamento durante a meiose se segregam aleatoriamente, o que pode resultar em não-disjunção cromossômica, criando gametas com o número incorreto de cromossomos – uma condição que geralmente é fatal para a progênieresultante 3. Durante a meiose, os cruzamentos são induzidos por quebras programadas de DNA de fita dupla4. Um subconjunto dessas quebras será reparado como cruzamentos que fornecem ligações físicas de DNA, chamadas quiasmatas, que ajudam a orientar cromossomos homólogos em preparação para a divisão celular5. Os estágios meióticos são altamente conservados em todos os eucariotos, e sua conformação cromossômica permite que eles sejam facilmente identificados.
Como um conceito fundamental em biologia, a meiose é um tópico que os alunos encontram várias vezes em diferentes cursos de biologia. Eles são frequentemente introduzidos à mecânica da segregação cromossômica meiótica no ensino médio, enquanto os cursos de nível universitário se concentram na biologia celular da segregação e no impacto genético da recombinação cruzada. No entanto, a meiose é um conceito notoriamente complicado para muitos estudantes1. A não compreensão da relação entre genes, DNA, cromossomos e meiose pode gerar equívocos e lacunas na compreensão dos alunos que impedem uma compreensão completa da herança genética 6,7. Uma maneira de melhorar a compreensão dos alunos sobre tópicos abstratos é fornecer atividades concretas e práticas. Por exemplo, ao ensinar meiose, os instrutores podem escolher entre atividades que emulam a análise molecular8, modelos 3D que permitem aos alunos manipular moléculas9 ou dramatização em que os próprios alunos encenam a coreografia molecular1. Incorporar pesquisas com resultados desconhecidos é uma maneira particularmente eficaz de melhorar a compreensão dos alunos. Essa prática é conhecida como experiência de iniciação científica baseada em cursos (CURE) e tem o benefício adicional de fortalecer as atitudes e a agência dos alunos, especialmente para aqueles pertencentes a grupos que permanecem sub-representados no STEM10,11. O verme nematoide Caenorhabditis elegans é particularmente passível de estudos em sala de aula de comportamento, fertilidade e cruzamentos genéticos, e é um modelo eficaz para introduzir os alunos à pesquisa biológica12.
C. elegans faz um poderoso organismo modelo para a biologia celular, combinando genética molecular com análise citológica simples. Também é particularmente adequado para uso em sala de aula de biologia 13,14,15. Eles são fáceis e econômicos de manter em laboratório, produzindo centenas de descendentes a cada 3 dias, tanto à temperatura ambiente padrão quanto a 20 °C, a temperatura de incubação mais comum. É importante ressaltar que eles podem ser congelados como estoques de glicerol e mantidos em um freezer de -80 °C, o que significa que quaisquer erros de criação cometidos por pesquisadores novatos podem ser facilmente corrigidos16. Além disso, seu genoma bem anotado permite técnicas genéticas avançadas e reversas17,18, permitindo que C. elegans seja utilizado para abordar questões biológicas que vão desde as moleculares até as evolutivas. Finalmente, os pesquisadores de C. elegans criaram uma comunidade de apoio que muitas vezes está disposta a fornecer ajuda e conselhos para cientistas iniciantes19. Essas vantagens levaram à incorporação de C. elegans em vários CUREs em vários tipos de instituições 12,19,20,21,22,23.
Além de seus benefícios para a pesquisa e o ensino, C. elegans tornou-se um modelo popular para estudos de meiose e desenvolvimento germinativo24,25,26. A clareza óptica desses animais simplifica as abordagens citológicas27 e, em adultos, as gônadas representam quase metade do animal, fornecendo centenas de células meióticas para estudo. Nas gônadas, os núcleos da linha germinativa meiótica são dispostos como uma linha de montagem (Figura 1); A replicação mitótica ocorre na ponta distal da gônada, com os núcleos progredindo através de estágios meióticos à medida que migram em direção à extremidade proximal da gônada, onde embriões fertilizados emergem da vulva. Como a organização espacial estereotipada também representa uma progressão temporal através da meiose, diferentes estágios podem ser facilmente identificados com base em sua organização cromossômica e localização na gônada. Finalmente, processos que interrompem a meiose e causam aneuploidia criam fenótipos que são simples de caracterizar, mesmo para novatos: esterilidade, letalidade embrionária ou alta incidência de machos (fenótipo de Him)28.
Este é um protocolo simples para visualizar cromossomos meióticos em C. elegans. Montagem, dissecção, fixação e coloração de anticorpos são todos realizados na mesma lâmina do microscópio, o que simplifica o protocolo e permite a recuperação quase perfeita da amostra. Este método funciona para coloração DAPI simples para visualizar cromossomos e pode ser usado para imunofluorescência para visualizar a localização de proteínas na gônada. Os alunos dissecam gônadas usando microscópios básicos de dissecação, geram preparações de montagem completa para visualização de DNA ou imunofluorescência e as fotografam em um microscópio fluorescente composto. Este protocolo foi ensinado a estudantes do ensino médio e estudantes de graduação que trabalham em um laboratório de pesquisa de C. elegans e incorporado a um CURE em uma faculdade de artes liberais12. Embora o CURE tivesse uma classe relativamente pequena, este protocolo seria passível de aulas em uma variedade de instituições devido ao custo relativamente baixo de cepas de vermes e reagentes. Os instrutores seriam limitados apenas pelo número de microscópios de dissecação disponíveis para uso. A implementação anterior tinha alunos trabalhando em grupos de três para compartilhar um único microscópio e ocorreu ao longo de três sessões de 90 minutos: a primeira para praticar dissecção, a segunda para implementar dissecção e coloração DAPI e a terceira para lâminas de imagem em um microscópio de fluorescência de campo amplo. A participação em pesquisas de graduação proporciona muitos benefícios para os estudantes11,29, tanto acadêmicos quanto pessoais. A incorporação de pesquisas em cursos via CUREs permite que os alunos participem de pesquisas durante o tempo normal de aula11,30,31, o que torna a exposição a esses benefícios mais acessível e equitativa.