Uma introdução à divisão celular

Divisão celular é um processo pelo qual uma célula produz duas ou mais células filhas. Organismos unicelulares, como a levedura, se reproduzem por divisão celular, enquanto organismos multicelulares, como nós, usam o mesmo processo para desenvolver, crescer e manter nossos tecidos. O conhecimento do que controla a divisão celular normal é fundamental para entender como a ruptura desse fenômeno pode iniciar processos patológicos.

Este vídeo apresenta uma breve história de descobertas no campo da divisão celular, destaca as principais perguntas feitas pelos biólogos celulares, revisa ferramentas proeminentes que estão sendo usadas e mostra algumas aplicações atuais.

Vamos começar revendo alguns estudos marcantes que estabeleceram as bases da pesquisa da divisão celular.

A existência de células foi relatada pela primeira vez na década de 1600 por Anton van Leeuwenhoek e Robert Hooke. Empoderados por inovações em microscopia, eles puxaram o véu para o mundo microscópico invisível. A primeira observação de que as células poderiam se dividir foi feita na década de 1830 por dois botânicos, Barthélemy Dumortier e Hugo von Mohl, que descobriram que uma célula vegetal pode dar origem a duas dividindo. Após essa descoberta, em 1838, um botânico - Matthias Jakob Schleiden - e um fisiologista — Theodor Schwann — observaram semelhanças em células vegetais e animais. Isso levou Schwann a postular os dois princípios da teoria celular, primeiro: "todos os organismos vivos são compostos de uma ou mais células"; segundo: "as células são os blocos básicos de construção de toda a vida." Quase vinte anos depois, um médico chamado Rudolf Virchow publicou o terceiro princípio da teoria celular, que afirmava: "todas as células surgem de células pré-existentes".

Em 1876, Walther Flemming, enquanto visualizava a divisão celular, observou a separação de estruturas semelhantes a roscas. Portanto, ele cunhou o termo "mitose", derivado da palavra grega mitos que significa fio. Mais tarde, Edouard Van Beneden e Theodor Heinrich Boveri descobriram que esses fios são na verdade cromossomos, que estão sendo divididos com a ajuda de microtúbulos decorrentes de estruturas agora conhecidas como centrosmoss. Beneden, juntamente com Oscar Hertwig e August Weismann, também explicou a meiose — um tipo diferente de divisão que produz células como gametas. Eles mostraram que a meiose, ao contrário da mitose, envolve uma rodada de replicação de DNA, mas duas rodadas de divisão celular, resultando na redução pela metade do número do cromossomo do pai para as células filhas.

Na segunda metade do século XX, os cientistas se interessaram pela regulação do ciclo celular, processo no qual uma célula passa por uma série de fases que levam à sua divisão. Uma das descobertas mais importantes neste campo veio em 1972 de Leland Hartwell e colegas. Usando cepas de levedura, eles demonstraram que existem genes que desempenham um papel importante na orientação das células através dos estágios do ciclo celular, e o Dr. Hartwell os nomeou como os genes do ciclo de divisão celular ou "cdc's".

Outra descoberta veio em 1983 por Tim Hunt, que estudava ouriços do mar. Ele identificou proteínas que oscilam em sua abundância em sincronia com as fases do ciclo celular. Devido à sua natureza oscilatória, ele chamou essas proteínas de "cíclins", e agora sabemos que os cíclins são os principais reguladores do ciclo celular. Quatro anos depois, Sir Paul Nurse e colegas mostraram que os genes do CDC, em particular o CDC2,eram altamente conservados entre leveduras e humanos. Juntas, essas descobertas aumentaram significativamente nossa compreensão da divisão celular e, portanto, foram merecidamente recompensadas com um Prêmio Nobel em 2001.

Agora que revisamos alguns destaques históricos, vamos examinar algumas questões fundamentais que enfrentam o campo da divisão celular hoje.

Começaremos com talvez a pergunta mais ampla na divisão celular: quais genes e vias de sinalização intracelular regulam o ciclo celular? Sabe-se que a duplicação e a divisão são controladas por uma série de interruptores bioquímicos que ativam ou desativam os processos de ciclo celular. Pesquisadores estão trabalhando para lançar mais luz sobre as moléculas que influenciam a progressão ou inibição do ciclo celular.

Os biólogos também estão interessados em identificar os fatores extracelulares que estimulam ou inibem a divisão celular. As células podem aumentar a divisão celular em resposta a sinais químicos externos chamados mitogênios. Os cientistas estão trabalhando para entender o que as pistas externas estimulam ou inibem a divisão celular.

A divisão celular anormal pode levar ao aumento ou diminuição da proliferação celular. O aumento da proliferação celular causa doenças como o câncer. Pesquisadores descobriram que mutações em certos genes conhecidos como oncogenes estão envolvidas no início do câncer. Além disso, os cientistas também descobriram várias proteínas que desempenham um papel crítico na progressão do tumor. No entanto, vários fatores causadores de tumores ainda permanecem desconhecidos, e os biólogos estão se esforçando para revelá-los.

Agora que você tem uma sensação para algumas das perguntas sem resposta, vamos olhar para algumas ferramentas de pesquisa que os biólogos usam para encontrar respostas.

Em uma mistura de células ativamente divisórias, a proporção de células que existem em cada fase do ciclo celular pode ser determinada pela análise do ciclo celular. Isso é feito com a ajuda de corantes especiais, como bromodeoxyuridina ou BrdU. É um analógico de timmidina e incorpora-se no fio de DNA recém-sintetizado durante a replicação do DNA. Por isso, rotula apenas as células de fase S. Por outro lado, compostos fluorescentes como propidium idodide (PI) mancham todo o DNA, mas a quantidade de pi vinculado pode ajudar a distinguir entre células em diferentes fases. O passo final é analisar as células manchadas usando citometria de fluxo, e os dados obtidos revelam a distribuição de células entre diferentes estágios do ciclo celular.

Os avanços nas técnicas de imagem agora facilitam a observação direta da divisão celular. Os cientistas agora podem manchar células usando corantes de fluoresceína, ou realizar manipulação genética para induzir a expressão de proteínas florescentes. Depois disso, eles podem observar diretamente células vivas se dividindo usando microscopia de lapso de tempo.

Por fim, os cientistas também criaram uma maneira de quantificar o número de divisões que células específicas sofrem dentro de uma população de células mistas. Isso é feito usando "corantes de rastreamento quantificáveis". Esses corantes são úteis porque o sinal que geram torna-se mais dimmer à medida que é diluído através da divisão celular. A diminuição da intensidade da fluorescência pode ser usada para identificar células em diferentes gerações. Além disso, a diferença entre a maior e a menor intensidade de fluorescência pode fornecer informações de quantas vezes as células foram submetidas à divisão.

Agora que você está familiarizado com algumas abordagens comuns para estudar a divisão celular, vamos ver como esses métodos estão sendo aplicados.

Como discutido anteriormente, os genes desempenham um papel importante no controle do ciclo celular. Aqui, os cientistas estudaram o efeito da mutação genética na divisão celular em larvas de Drosophila. Eles realizaram cruzes genéticas para produzir moscas com mutações específicas, e então usando a análise do ciclo celular observaram os efeitos da mutação dentro do tecido de asa em desenvolvimento.

Usando microscopia de fluorescência, os cientistas também podem observar diretamente como as drogas afetam a divisão celular no câncer. Neste experimento, os pesquisadores estavam interessados em determinar como uma droga em potencial, JP-34, afetou a divisão celular do câncer. Os resultados mostraram que as células cancerígenas tratadas com JP-34 sofreram insuficiência mitótica e morte celular.

Finalmente, os cientistas usam corantes de rastreamento para identificar diferenças nas taxas de proliferação celular. Aqui, eles empregaram um corante de rastreamento quantificável que rotula as membranas celulares para estudar diferenças na divisão celular de várias células imunes. A análise de dados de citometria de fluxo revelou que a taxa de proliferação difere entre diferentes tipos de células imunes.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à divisão celular. Neste vídeo, revisamos algumas das principais descobertas na divisão celular, perguntas-chave que estão sendo feitas por biólogos celulares hoje, ferramentas proeminentes empregadas em laboratórios de divisão celular e suas aplicações atuais. Como sempre, obrigado por assistir!