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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE BIOCIÊNCIAS CURSO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS - BACHARELADO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO SUSANA CRISTINA SOUSA MINERVINI GENOMAS DE FUNGOS TROPICAIS: INVESTIGAÇÃO DE DADOS DISPONÍVEIS COM ENFOQUE EM ELEMENTOS TRANSPONÍVEIS - UMA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA NATAL 2023 SUSANA CRISTINA SOUSA MINERVINI GENOMA DE FUNGOS TROPICAIS: INVESTIGAÇÃO DE DADOS DISPONÍVEIS COM ENFOQUE EM ELEMENTOS TRANSPONÍVEIS - UMA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Monografia apresentada ao curso de graduação em Ciências Biológicas, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Ciências Biológicas. Orientador: Prof. Paulo Sérgio Marinho Lúcio. NATAL 2023 Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede Minervini, Susana Cristina Sousa. Genomas de fungos tropicais: investigação de dados disponíveis com enfoque em elementos transponíveis - uma revisão bibliográfica / Susana Cristina Sousa Minervini. - 2023. 66 f.: il. Monografia (graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Biociências, Curso de Ciências Biológicas, Natal, RN, 2023. Orientador: Prof. Dr. Paulo Sérgio Marinho Lúcio. 1. Basidiomycota - Monografia. 2. Fungi - Monografia. 3. Elementos transponíveis - Monografia. 4. Genoma - Monografia. 5. Transposons - Monografia. I. Lúcio, Paulo Sérgio Marinho. II. Título. RN/UF/BCZM CDU 576.8 Elaborado por Ana Cristina Cavalcanti Tinoco - CRB-15/262 SUSANA CRISTINA SOUSA MINERVINI GENOMAS DE FUNGOS TROPICAIS: INVESTIGAÇÃO DE DADOS DISPONÍVEIS COM ENFOQUE EM ELEMENTOS TRANSPONÍVEIS - UMA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Monografia apresentada ao curso de graduação em Ciências Biológicas, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Ciências Biológicas. Aprovada em: 12/07/2023 BANCA EXAMINADORA Prof. Paulo Sérgio Marinho Lúcio Orientador UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE Prof. Carlos Alfredo Galindo Blaha Membro interno UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE Prof(a). Fabiana Lima Bezerra Membro externo UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE Dedico este trabalho a Deus, minha família, meus professores, minha melhor amiga Bruna e, não obstante, a minha companheira peluda Charlotte. Sempre serei grata por tudo o que fizeram por mim. AGRADECIMENTOS Confesso que não sou uma pessoa muito religiosa, muito menos praticante, mas acho que este trabalho não existiria sem a intervenção de alguma espécie divina maior atuando para me auxiliar. Assim, a priori, agradeço a Deus e a todos os anjos que me guiaram até aqui. Sei que, entre tudo e todos, Deus é Quem sempre quis e sempre almeja realmente o meu melhor, e que, apesar de muitas vezes eu não entender, Ele sempre atuará em minha vida. Obrigada, Senhor. Obviamente, não poderia deixar de agradecer à minha família. Sou muito grata por todos àqueles que acreditaram em mim. Creio que poderia escrever um livro apenas agradecendo ao meu pai Maurício e minha mãe Selma, pois ambos foram (e são) as principais pessoas da minha vida e dessa minha jornada até então. Dessa maneira, mãe, muito obrigada por tudo o que a senhora fez e faz por mim, por acreditar e me guiar de formas que eu nem sabia ser humanamente possível. Assim, acredito que talvez a senhora nem seja uma pessoa, mas sim um verdadeiro anjo que me colocou neste mundo. Me perdoe por todas as vezes que eu a frustrei e/ou chateei, pois sei que, de tudo que fez, foi para me fazer bem e para ver o meu melhor. Você sempre está aqui quando eu preciso. Sempre me guiou, apoiou, me levantou e me salvou, portanto, sou muito grata. Creio que palavras não expressam tudo o que eu realmente sinto por ti. Eu te amo muito, mãe, muito obrigada! Pai, ah… nem sei por onde começar. Assim como acredito que minha mãe seja um anjo atuando em forma humana, creio que o senhor seja alguma espécie de super-herói. Bom, talvez super-herói seja um adjetivo muito genérico e pouco para o que o senhor realmente seja. Para mim, você é mais poderoso e forte do que qualquer Batman, Superman, Gandalf, Spock ou qualquer um desses homens, magos e guerreiros de filmes de ação. Meu herói, meu anjo, meu motorista, meu pai! Como dito anteriormente, eu poderia escrever um livro escrevendo sobre tudo o que o senhor fez e faz por mim e por quanto eu sou grata por cada uma delas. Por todos os sacrifícios, apoios, investimentos e conselhos aos quais me ofertou. Muito obrigada, do fundo do meu coração! Eu te amo muito. Agradeço também ao meu orientador e professor, Paulo Sérgio Marinho Lúcio, por sempre acreditar em mim e atuar sempre com palavras positivas, incentivando-me a continuar durante não só a graduação, mas também a viver. Obrigada por confiar em mim quando nem eu mesma fui capaz e, muito obrigada por contribuir no meu desenvolvimento. Não obstante, sou muito grata pela minha cadelinha e melhor amiga peluda, Charlotte, a qual já não está mais aqui fisicamente para me confortar com sua presença, mas sei que está se divertindo muito em um plano espiritual só de cachorros. Muito obrigada por permanecer ao meu lado por 11 anos. Eu te amo muito. “Esforçai-vos por fazer com perfeição o que fizerdes, e quando estiver feito, não penseis mais nisso; mas pensai no que tendes para fazer, caminhando com singeleza na via do Senhor, sem atormentar o espírito. Convém odiar os defeitos, não com um ódio cheio de despeito, mas com um ódio tranquilo; olhai-os com paciência e fazei-os servir para vos humilharem na vossa estima. Considerai os vossos defeitos com mais dó do que indignação, mais humildade do que severidade, e conservai o coração cheio dum amor doce, sossegado e terno. [...]" São Francisco de Sales RESUMO Os elementos transponíveis (em inglês, Transposable elements – TEs) são elementos genéticos móveis, sendo classificados em retrotransposons (classe I) ou transposons de DNA (classe II). Embora inicialmente, por um longo período, tenham sido considerados parasitas ou DNA sem função, recentemente, os estudos envolvendo os elementos de transposição em genomas apontam o importante papel destes na evolução das espécies. Não obstante, há casos documentando correlação entre a abundância de elementos transponíveis e o estilo de vida do hospedeiro, como, por exemplo, em cogumelos do gênero Amanita (HESS et al., 2014). Assim, atualmente, os transposons são considerados componentes onipresentes e vitais em quase todos os genomas de organismos procarióticos e eucarióticos. Apesar das crescentes evidências envolvendo a importância destes elementos, ainda há pouca descrição envolvendo sua abundância e distribuição, principalmente no que se refere às espécies fúngicas. O presente estudo teve como objetivo conhecer a riqueza e distribuição dos elementos transponíveis em espécies fúngicas de basidiomicetos, procurando identificar o contexto genômico onde estão inseridos. O trabalho foi realizado com a análise de diversos artigos que abordam os elementos de transposição por meio da busca bibliográfica em ferramentas virtuais de pesquisa, tais como Pubmed, SciELO, Scholar Google e NCBI. Desta maneira,conclui-se a importância da compreensão e maiores estudos acerca dos papéis que os elementos de transposição desempenharam na evolução e como estes moldam a vida como conhecemos atualmente, sendo de fundamental importância para a área biológica. Palavras-chave: Basidiomycota; Fungi; Transposons; SINE; LINE. ABSTRACT Transposable elements (TEs) are mobile genetic elements, classified into retrotransposons (class I) or DNA transposons (class II). Although initially, for a long period, these elements were considered parasites or DNA without function, recently, studies involving the transposable elements in genomes point to their important role in the evolution of species. Nevertheless, there are cases documenting a correlation between the abundance of transposable elements and the host's lifestyle, as, for example, in mushrooms of the genus Amanita (HESS et al., 2014). Thus, currently, transposons are considered ubiquitous and vital components in almost all genomes of prokaryotic and eukaryotic organisms. Despite the growing evidence involving the importance of these elements, there is still little description involving their abundance and distribution, especially about fungal species. The present study aimed to understand the richness and distribution of the transposable elements in fungal species of basidiomycetes, trying to identify the genomic context where they are inserted. The work was carried out with the analysis of several articles that address the transposable elements through a bibliographical search in virtual research tools, such as Pubmed, SciELO, Scholar Google, and NCBI. In this way, it is concluded the importance of understanding and further studies about the roles that the transposition elements have played in evolution and how they shape life as we know it today, being of fundamental importance for the biological area. Keywords: Basidiomycota; Funghi; Transposons; SINE; LINE. LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Sistema de classificação para os elementos transponíveis………………………………………………………….. 26 Figura 2 – Classificação de elementos de classe II em vários níveis hierárquicos................................................................................... 28 Figura 3 – Septo doliporo, representando a estrutura de defesa parentossoma…………………………………….............................. 34 Figura 4 – Elementos de transposição em diferentes espécies fúngicas.......................................................................................... 49 Figura 5 – Distribuição de TEs no gene com domínios relacionados a TEs em genomas com densidade genômica diferente......................... 51 Figura 6 – Distribuição de TEs em fungos com diferentes estilos de vida............................................................................................... 53 LISTA DE QUADROS Quadro 1 - Produtos farmacêuticos comercializados derivados de fungos filamentosos e suas aplicações………………………………………. 44 LISTA DE SIGLAS BLAST Basic Local Alignment Search Tool DIRS Dictyostelium Intermediate Repeat Sequence LINE Long Interspersed Nuclear Element lncRNA Long non-coding RNA LTR Long Terminal Direct Repeats MIP Mutation Induced Point miRNA MicroRNA mRNA RNA mensageiro MITEs Miniature Inverted-repeat Transposable Elements MULEs Mutator-like transposable elements NCBI National Center for Biotechnology Information NGS Next-Generation Sequencing PET Polietileno tereftalato PLE Penelope-like PubMed US National Library of Medicine RIP Repeat Induced Point Mutation RNA Ácido ribonucléico rDNA DNA ribosomal SciELO Scientific Eletronic Library Online SINE Short Interspersed Elements TEs Transposable elements TIR Terminal Inverted Repeats SUMÁRIO 1 1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.4 1.5 1.6 1.7 INTRODUÇÃO...................................................................................... Revisão bibliográfica…………………………………………………….. Genoma de fungos……………………………………………………….. Elementos de transposição............................................................... Elementos de transposição em fungos................................................. Filo Basidiomycota............................................................................. Genoma e Ômicas.............................................................................. Bioinformática..................................................................................... Biotecnologia fúngica......................................................................... 19 19 20 23 30 33 36 40 42 2 OBJETIVOS.......................................................................................... 46 2.1 Objetivo geral...................................................................................... 46 2.2 3 Objetivos específicos......................................................................... MATERIAL E MÉTODOS..................................................................... 46 46 3.1 4 4.1 4.2 4.3 4.4 5 Coleta de dados................................................................................. RESULTADOS..................................................................................... Os elementos transponíveis em diferentes espécies fúngicas….. Distribuição de elementos transponíveis no genoma fúngico…… Os elementos transponíveis em diferentes estilos de vida fúngica……………………………………………………………………… Os elementos transponíveis em diferentes linhagens de fungos CONSIDERAÇÕES FINAIS................................................................. REFERÊNCIAS.................................................................................... 46 47 48 50 52 55 56 59 19 1 INTRODUÇÃO 1.1 Revisão bibliográfica Os elementos transponíveis, também conhecidos como DNA saltitantes, locomovem-se e multiplicam-se pelo genoma em que estão inseridos (ANSELEM et al., 2015), sendo considerados como unidades genéticas que desempenham inúmeros papéis na evolução de genomas em organismos eucarióticos e procarióticos, possuindo a importante habilidade de provocar a variabilidade genética intra e interespécies (CAPY et al., 1998). Dessa maneira, apesar de anteriormente terem sido subestimados e julgados como genes sem valor, ou até mesmo como parasitas, devido ao fato de primordialmente não se reconhecer e entender sua importância dentro do genoma, atualmente eles ganharam notável atenção e interesse dentro da área da indústria e pesquisa, principalmente após sua descoberta a partir da década de 1950, sendo hoje reconhecidos como importantes modeladores ativos e elementos fundamentais dentro do genoma de várias espécies. Vendo isto, embora eles tenham sido comumente estudados em plantas (KAMPER et al., 2006; WICKER et al., 2007), pouco se sabe sobre ocorrência e influência deles dentro do Reino Fungi. Seguindo essa lógica, conforme veremos ao longo deste trabalho, utilizando um conjunto diversificado de exemplares fúngicos de basidiomicetes e ascomicetes, pesquisadores que serão comentados nessa revisão, como Anna Muszewska e colaboradores (2011, 2017 e 2019), Raúl Castanera e colaboradores (2016), Fernanda Lourenço Alves Gonzaga (2017), Jaqueline Hess e colaboradores (2014), por exemplo, identificaram uma enorme variedade de elementos transponíveis de classeI (retrotransposons) e classe II (transposons de DNA), comprovando haver uma intensa diversidade destes presentes nos genomas em diferentes espécies no reino fúngico. Nessa perspectiva, comprovando as implicações produzidas pelos elementos transponíveis dentro da arquitetura genômica, como também suas influências como direcionadores-chave em rápidas mudanças no tamanho do genoma eucariótico (HAWKINS et al., 2006; WESSLER et al., 2006), admite-se um novo objeto eficaz de estudo capaz de trazer simplificações sobretudo dentro da área científica e, principalmente, a biológica, onde os fungos, por exemplo, representam relevantes alternativas para se obter um mundo mais sustentável, privilegiando uma economia circular (MEYER et al., 2020), especialmente após a contribuição e esforços 20 internacionais de sequenciamento capaz de acelerar a disponibilidade de sequências genômicas em numerosas espécies fúngicas com diferentes estilos de vida (FLOUDAS et al., 2012; KOHLER et al., 2015). Desse modo, visando ilustrar a importância dos elementos de transposição dentro dos genomas dos organismos, sobretudo envolvendo o papel evolutivo e na adaptação (WESSLER, 2006), além de reconhecer suas principais aplicações dentro das áreas de saúde, econômica e ambiental, por exemplo, espera-se obter e coletar mais informações focalizando-os no genoma fúngico, pois assim como essas unidades genéticas saltitantes, os fungos ainda são entidades frequentemente desapreciadas por grande parte da sociedade, havendo uma carência de conhecimento acerca desses seres. Diante do exposto, avaliando a relevância de ambos em conjunto, ou seja, tanto dos elementos transponíveis no impacto genético e suas consequentes implicações, como também dos fungos na área da saúde, ambiental, alimentícia e econômica, almeja-se atribuí-los às suas notáveis reputações em um contexto global, de forma a serem mais discutidos e analisados para o aprimoramento na pesquisa e consequente conclusões acerca de seus impactos na vida de diferentes organismos. 1.2 Genoma de fungos Infere-se que os organismos mais complexos possuem mais DNA em seus genomas quando comparados aos organismos mais simples. Entretanto, atualmente sabe-se que essa afirmação não é verdadeira, uma vez que o tamanho do genoma de um organismo depende tanto da necessidade particular para o desenvolvimento, como também da ecologia (PETROV, 2001). Assim, pode-se observar que alguns organismos considerados muito simples possuem mais conteúdo de DNA do que organismos multicelulares complexos, como é visto em algumas espécies de amebas, as quais podem possuir 200 vezes mais DNA do que os humanos (OLSON- MANNING, 2012). Os genomas de fungos são considerados menores do que os de plantas e de animais, tornando-os mais fáceis de serem anotados e montados em diversos estudos (CASTANERA et al., 2016). Segundo Griffin (1994), o genoma dos fungos é considerado pequeno, variando entre 200 a 12000 Kbp. Além disso, o núcleo fúngico difere em comparação aos outros organismos eucariontes, sendo considerados pequenos, os quais medem cerca de 1-5mm de diâmetro (LOGUERCIO-LEITE, 2006). 21 Na página online oficial do National Center for Biotechnology Information (NCBI; em português: Centro Nacional de Informação Biotecnológica), pode-se observar aproximadamente 14.790 sequenciamento de genomas de espécies fúngicas de diferentes filos, sendo 2.002 genomas sequenciados correspondentes aos representantes do filo Basidiomycota (NCBI, 2023), representando a riqueza de diversidade do Reino Fungi. Segundo Tapan Mohanta e colaboradores (2015), a diversidade de genomas de fungos varia de 8,97 Mb a 177,57 Mb, sendo cerca de 46,48 Mb para os representantes de Basidiomycota, e aproximadamente 36,91 Mb para os fungos ascomicetos. No que se refere aos basidiomicetos, os autores observaram que o tamanho do genoma varia, havendo cerca de 9,82 Mb na espécie Wallemia sebi, e 130,65 Mb no genoma de Dendrothele bispora. Enquanto isso, os fungos do grupo Oomycota possui o maior genoma dentro do reino fúngico, possuindo cerca de 74,85 Mb. A presença de elementos genéticos móveis no genoma fúngico é altamente diversa, mesmo entre espécies filogeneticamente próximas (FLOUDAS et al., 2012). Porém, a visibilidade da ocorrência e quantidade dos elementos transponíveis em um genoma ainda é considerado uma atividade desafiante, exigindo a utilização de diferentes algoritmos para se obter resultados confiáveis (FLUTRE et al., 2011). Dessa maneira, com a rápida geração de genomas fúngicos, tem sido realizadas diferentes estratégias para se obter anotações de elementos móveis, limitando a capacidade de conclusões robustas acerca das diferenças na expansão de famílias destes elementos em diferentes espécies, uma vez que as diferenças de cópias desses elementos dentro do genoma podem ser ocasionadas por divergências metodológicas ou também por variações biológicas (CASTANERA et al., 2016). Utilizando diferentes exemplares de fungos basidiomicetos e ascomicetos, Raúl Castanera e colaboradores (2015) caracterizaram uma enorme diversidade de elementos transponíveis de RNA e DNA no genoma fúngico, identificando espécies que tiveram desde 0,02% a 29,8% de seus genomas ocupados por elementos genéticos móveis. Não somente, segundo demonstrações do pesquisador, as inserções de elementos transponíveis produzem efeitos prejudiciais sobre a expressão de genes, os quais foram regulados por mecanismos de silenciamento presente nos basidiomicetos testados, mas que possuiu uma distribuição irregular em representantes do filo Ascomycota, inferindo-se uma relação de mecanismos 22 específicos de defesa do genoma que são capazes de controlar a proliferação de TEs, revelando o impacto destas unidades genéticas móveis nos fungos. Raúl Castanera e colaboradores (2015) ainda focam na importância dos elementos transponíveis no que se refere às forças evolutivas de longo prazo, onde os mesmos são capazes de desempenhar notáveis papéis relevantes na regulação gênica de certas espécies. Considera-se que, segundo análises recentes e amplas, os elementos transponíveis em fungos demonstram uma expecional variabilidade no que se refere ao conteúdo repetido (AMSELEM et al., 2015), onde os eventos de amplificação estão mais relacionados ao estilo de vida fúngico em comparação à proximidade filogenética (AMSELEM et al., 2015). Além disso, sabe-se que os retrotransposons da ordem LTR são os elementos móveis mais abundantes no genoma fúngico, principalmente os retrotransposons das superfamílias LTR/Gypsy e LTR/Copia. Entretanto, em relação aos elementos de classe II, observa-se pouca ocupação e somente apenas em uma fração menor das repetições no genoma fúngico (CASTANERA et al., 2016). Não obstante, conforme Raúl Castanera e colaboradores (2016), a maioria das espécies de fungos possuem genomas compactos e simplificados. Por meio de esforços internacionais, como também pelo avanço no sequenciamento genômico, foi possível observar que os tamanhos do genoma em fungos variam desde 2 a 190 Mb, enquanto estimativas realizadas de citometria de fluxo demonstram genomas com o tamanho de até 893 Mb no subfilo Puccioniomycotina, especialmente na espécie Gymnosporangium confusum (TAVARES et al., 2014). Raúl Castanera e colaboradores (2016) demonstraram, por meio de dados disponíveis, a intensa variabilidade referente ao genoma fúngico. Em seus resultados, os pesquisadores sugerem que essa variabilidade possa ser explicada pelas diferentes expansões realizadas pelos elementos transponíveis, as quais parecem estar relacionadas ao estilo de vida dos fungos. Seguindo a lógica destes resultados, confirma-se que os fungos biotróficos obrigatórios, como as espécies fúngicas Puccinia graminis e Puccinia striiformes, apresentam um genoma enriquecido emelementos transponíveis. Isso também é observado em dados realizados em 2011 por Sébastien Duplessis e colaboradores (2011). Em contraste a esses fatos, o fungo biotrófico não obrigatório Mixia osmundae quase não apresenta elementos transponíveis, fenômeno também observado em 23 outras leveduras basidiomicetas, como nas espécies Pseudozyma hubeiensis e Pseudozyma antarctica (CASTANERA et al., 2016). Diferentes estudos demonstram que as expansões impulsionadas pelos elementos genéticos móveis têm realizado papéis relevantes no genoma de fungos filamentosos fitopatógenos (RAFFAELE et al., 2012). Isso pode ser analisado nos representantes fúngicos do gênero Leptosphaeria (GRANDAUBERT et al., 2014), os quais demonstram o impacto dos TEs na adaptação do hospedeiros, como também na agressividade de patógenos. Observando tais dados, de acorco com Sylvain Raffaele e colaboradores (2012), a adaptação mais rápida acontece pois os genes que codificam as proteínas relacionadas com as interações com os hospedeiros são comumente polimórficas, residindo em regiões mais ricas em repetições do genoma. Dessa maneira, Raúl Castanera e colaboradores (2016) chegam na conclusão de que é tentador hipotetizar de que os elementos móveis poderiam também desempenhar um papel importante em espécies de fungos decompositoras de madeira, como observado na relação da presença de enzimas degradantes de lignina, na espécie fúngica Pleurotus ostreatus, com os aglomerados existentes destes elementos móveis. Diante do exposto, desde o sequenciamento completo do genoma do fungo considerado modelo Saccharomyces cerevisiae em 1996, muitos sequenciamentos foram realizados em grande número em genomas de fungos (MOHANTA et al., 2015). Assim sendo, o sequenciamento de uma grande escala de genomas fúngicos será a chave para compreender a diversidade de genes capaz de codificar enzimas e vias metabólicas possíveis de produzirem vários compostos, como ácido orgânico e ácido cítrico (MEYER et al., 2020), tornando os fungos importantes organismos no ponto de vista para intensos estudos filogenéticos, evolutivos, ecológicos e moleculares. 1.3 Elementos de Transposição Os elementos transponíveis (em inglês, “Transposable elements” - TEs), ou transposons, são considerados elementos genéticos móveis com a capacidade de realizar transposição e de se multiplicar nos genomas aos quais estão inseridos (AMSELEM et al., 2015), sendo conhecidos, portanto, como DNAs saltitantes. Dessa maneira, a transposição pode ser vista como um processo de intercâmbio de DNA, ou 24 seja, um tipo de recombinação, uma vez que o cromossomo é uma molécula contínua de DNA. Os transposons estão localizados dentro de um gene particular, gerando uma mutação neste e ocasionando o aumento da plasticidade e diversidade genômica (LEE et al., 2014), contribuindo para diferenças genômicas inter e intra espécies (BLEYKASTEN-GROSSHAN et al., 2013). Desse modo, por meio da habilidade de se moverem no genoma, provocando rearranjos cromossômicos e inserindo-se em regiões promotoras, os TEs são capazes de modificar as estruturas gênicas, promover a alteração da expressão gênica e, além de serem capazes de sofrerem recombinações, contribuindo para a diversidade genética ao genoma em que estão inseridos. Esses elementos intactos são capazes de codificar sequências de proteínas necessárias para que proliferem e, após a ativação, geram inúmeras cópias quase idênticas, as quais podem se inserir em vários graus de especificidade em novos locais no genoma (LEVIN et al., 2011), criando mutações de perda de função, além de outros resultados, como novas interações regulatórias (por meio de sítios de ligação de fatores de transcrição codificados por transposons), silenciamento associado à repetição de cromossomos (HOLLISTER et al., 2009) e a catalização de rearranjos genômicos, incluindo inversões, duplicações, deleções e translocações cromossômicas (através da recombinação de inserções de elementos de transposição homólogas não alélicas) (SEN et al., 2006; HAN et al., 2007; ROBBERECHT et al., 2013). Embora inicialmente os elementos transponíveis tenham sido considerados como DNA lixo ou parasitas genômicos (DOOLITTLE & SAPIENZA, 1980; ORGEL & CRICK, 1980; HICKEY, 1982), recentemente, os estudos em genoma apontam o importante papel destes na evolução das espécies, sendo frequentemente descritos como componentes estruturais de um genoma, possuindo o formato tanto de parasita como também de ação mutualista (KIDWELL & LISCH, 2001). Sob essa ótica, ao longo dos anos tornou-se evidente que tais elementos não apenas “saltam”, como também são encontrados, em grande número, em muitos organismos procariontes e eucariontes, ocupando uma fração genômica de modo altamente diversificado. Atualmente, sabe-se que essas unidades genéticas móveis constituem aproximadamente até 50% do genoma de mamíferos (ZAMUDIO, 2010), sendo responsáveis por até 3% em genomas de leveduras (KIM et al., 1998), mais de 80% em algumas plantas, como o trigo e milho (SANMIGUEL, 1996; SCHNABLE et 25 al., 2009; WICKER et al., 2011), como também constituem aproximadamente 50% do genoma humano (KONING et al., 2011; SANMIGUEL, 1996). Entretanto, de acordo com Biémont e colaboradores (1992), o comportamento desses elementos varia para cada organismo. O processo de se realocar é realizado por meio das enzimas denominadas transposases, que agem fixando-se nas extremidades dos transposons para iniciar a catálise do movimento de transposição para outra região do DNA. Além disso, de acordo com Capy et al. (1998), os transposons demonstram habilidade de polimorfismo, possuindo funções desde se locomover dentro do genoma, como também de se duplicar em um sítio de inserção, onde podem apresentar diferentes formas. Não somente, é importante ressaltar que, para minimizar os efeitos deletérios, ocorreu um desenvolvimento de mecanismos capazes de direcionar os novos elementos para regiões de baixa atividade gênica. Os transposons podem ser classificados conforme a movimentação que realizam, diferindo entre elementos autônomos e não autônomos. Dessa maneira, os elementos autônomos são aqueles que apresentam todos os genes necessários para que ocorra a transposição, com as repetições terminais invertidas intactas e o gene funcional da enzima transposase, possuindo funcionalidade que garante sua própria excisão e reinserção no genoma. Em contrapartida, os elementos considerados não autônomos não possuem os genes da transposase intacto, necessitando haver a presença de outros elementos que expressem a transposase para que, deste modo, possam ser carregados e movidos pelo genoma. Com base em seus modos de proliferação, Wickers e colaboradores (2007) sugeriram um sistema de classificação em vários níveis hierárquicos (FIGURA 2), baseando-se nas suas características funcionais e também estruturais. Assim, os elementos transponíveis podem ser distinguidos em duas classes principais: classe I e classe II (FIGURA 1), as quais ainda podem ser divididas em ordens, superfamílias, famílias e subfamílias (KAPITONOV & JURKA, 2008). 26 Figura 1 – Sistema de classificação para os elementos transponíveis. Fonte: Reproduzido e adaptado de Serrato-Capuchina, A. et al. (2018). Legenda: Os elementos transponíveis podem ser classificados em retrotransposons (classe I) ou transposons de DNA (classe II). Presença ou ausência de RNA como intermediário. Os elementos de classe I incluem os retrotransposons, os quais utilizam um intermediário de RNA sintetizado, por meio do processo de transcrição, a partir de um molde de DNA. Ou ainda é possível que, por meio do processo de transcrição reversa, esse RNA seja copiado de volta ao DNA sob ação da enzima transcriptase reversa, a qual é tipicamente codificada pelo transposon.Dessa maneira, este DNA é inserido de volta no genoma. Assim, os elementos transponíveis pertencentes dessa classe se locomovem por meio de um mecanismo de “copiar e colar” havendo diversas ordens, incluindo os elementos de repetição terminal longa (LTR - Long Terminal Direct Repeats), os elementos nucleares intercalados longos (LINE - Long Interspersed Nuclear Element), PLE (Penelope-like), DIRS (Dictyostelium Intermediate Repeat Sequence), e uma curta sequência de pares de bases denominada SINE (do inglês, Short Interspersed Elements) (Wicker et al. 2007). Tanto SINEs, quanto LINEs são encontrados em quase todos os eucariontes (embora não em Saccharomyces cerevisiae), representando aproximadamente 34% do genoma humano. 27 Enquanto isso, os elementos de classe II são transpostos por meio de intermediários de DNA, sendo divididos em subclasses (FIGURA 2). Ou seja, nesse processo, não ocorre a presença de um intermediário de RNA, onde o elemento permanece na forma de DNA durante todo o processo com a codificação da enzima multifuncional denominada transposase, a qual reconhece as sequências de DNA nas extremidades 5’ e 3’ do elemento de transposição e, então, o cortam, reinserindo-o em outro lugar do DNA. Essa ação é conhecida como “recorta e cola” de transposição. Assim sendo, essas subclasses da classe II dependem se os elementos usam um mecanismo de “cortar e colar”, como observado em elementos de repetição invertidos terminais (TIR - Terminal Inverted Repeats), que realizam a transposição pela clivagem de ambas as fitas de DNA; ou um mecanismo de “copiar e colar”, envolvendo a replicação com clivagem de apenas uma fita de DNA, como visto em Helitrons e Mavericks (Kapitonov e Jurka, 2001). Para complementar o espaço da clivagem e, além disso, o anexo sequência em outro local do genoma, ocorre a presença e atuação da enzima DNA polimerase. De acordo com Freschotte & Pritham (2007), tanto os Helitrons, quanto os Mavericks podem ser encontrados nos genomas de fungos. Não obstante, considerando-se a presença da maioria das superfamílias “cortar e colar” observadas em linhagens eucarióticas, além da semelhança que há entre elas com as sequências de inserção procarióticas, sugere-se que o DNA de elementos de transposição sejam mais antigos que o último ancestral eucariótico comum (Pritham, 2009). Segure-se ainda que há uma terceira classe disponível, havendo a presença de elementos que possuem características intermediárias entre as classes I e II. Deste modo, observa-se miniaturas repetidas invertidas de elementos de transposição denominadas MITEs (do inglês, Miniature Inverted-repeat Transposable Elements), as quais possuem maior afinidade por regiões ricas em genes (CORDEIRO, 2007). 28 Figura 2 – Classificação de elementos de classe II em vários níveis hierárquicos. Fonte: Reproduzido e adaptado de Wicker et al. (2017). Legenda: Os elementos transponíveis podem ser classificados em retrotransposons (classe I) ou transposons de DNA (classe II). Presença ou ausência de RNA como intermediário. No que se refere ao contexto histórico, as descobertas nessa área surgem a partir de 1900 com observações realizadas pelo geneticista norte-americano Rollins A. Emerson, responsável por relatar mutações instáveis em colorações de sementes de milho. Não somente, a partir da década de 30, o citogeneticista norte-americano Marcus M. Rhoades foi capaz de demonstrar que esta instabilidade genética ocorria de maneira condicional, ou seja, a mutação torna-se instável apenas na presença de um outro gene. Estudando a mutação de um gene responsável pela síntese do pigmento púrpura (antocianina) na aleurona (a camada mais externa do endosperma, a qual reveste a semente), Rhoades observou que a mutação causava a mudança da cor púrpura para a incolor. Porém, na presença de um outro gene, o processo revertia, voltando ao púrpura. Não obstante, conforme o desenvolvimento do processo ocorria, a coloração se apresentava com diversos pontilhados. Dessa maneira, o alelo produtor das manchas foi batizado por Marcus como “pontilhado”. 29 Anos mais tarde, durante a década de 40, a botânica estadunidense Barbara McClintock também realizou observações de mutações instáveis envolvendo a coloração em sementes de milho. Barbara descobriu que os pontilhados observados por Rhoades, ou seja, o alelo produtor das manchas, eram, na realidade, um tipo de elemento genético móvel. Com base nisso, realizou uma análise genética complicada, atribuindo essas mutações a "elementos controladores", ou seja, elementos genéticos que causam mutações e rearranjos cromossômicos, influenciando a expressão e atividade de genes e auxiliando na variabilidade genética. A principal característica dessas mutações é que elas revertem ao estado normal com alta frequência, ocorrendo quando o elemento se move e é inserido na sequência codificadora de um gene, prejudicando sua expressão em heterozigotos e fazendo com que apresentem fenótipo mutante recessivo. Assim, com essa descoberta, a qual foi considerada como a mais significativa do século, garantiu à Barbara McClintock um prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1983. Atualmente, sabe-se que as variações observadas nos padrões de cores em espigas de milho indiano ocorrem devido a esses elementos controladores, além de que essas unidades genéticas móveis são os então denominados elementos de transposição, os quais são substâncias do DNA capazes de mover-se de um local cromossômico para outro. Trinta anos após essa descoberta, os segmentos móveis foram observados em DNA de bactérias e em mosca de frutas. Com isso, nas décadas de 60 e 70, o estudo dos elementos de transposição focou-se nestes organismos, onde se observou que nem todas as mutações ocorrem devido a alterações de pares de bases, mas também pela inserção de trechos de DNA nos genes. Anteriormente a isso, acreditava-se que o DNA era estático, havendo confirmação apenas em 1970 de que esses elementos são essenciais, além de estarem constituintes no genoma em grande quantidade, possuindo a habilidade de se mover para outros locais. Dessa maneira, atualmente os transposons apresentam um significado médico importante, sendo elementos de indiscutível valor em humanos, sendo responsáveis, por exemplo, pela resistência de bactérias fitopatógenas aos antibióticos (CHARLESWORTH, B. et al., 1983). Esse fenômeno ocorre por conta da presença de transposons no DNA bacteriano, dificultando o manejo das doenças responsáveis por esses microrganismos. Assim, devido a transposição desses elementos, os plasmídeos de resistência (plasmídios R) possuem rápida evolução, ocasionando na disseminação entre genomas de bactérias hospitalares (tanto em 30 espécies, quanto em gêneros diferentes), além de conferir resistências a diversas doenças ocasionadas em plantas. Não obstante, podem ser experimentalmente úteis como vetores gênicos, especialmente na biotecnologia genética, uma vez que várias doenças observadas no homem são causadas por mutações em determinados genes (CHARLESWORTH, B. et al.,1983). Como exemplo, a terapia gênica baseada em elementos de transposição, possui a capacidade de se integrar ao genoma do hospedeiro de maneira estável e duradoura, de modo a expressar genes corretores. Assim, por meio de técnicas de terapia gênica, procuram-se inserir mecanismos capazes de consertar ou regular consideráveis defeitos genéticos, utilizando-se, para isto, retrovírus como vetores para inserir genes corretores nos pacientes, por meio do RNA sintetizado em laboratório e da enzima transcriptase reversa, permitindo tratamentos mais eficazes e com menores efeitos colaterais. Em suma, percebe-se a importância dos elementos transponíveis nos dias atuais, os quais, anteriormente considerados como “DNA lixo”, hoje sãomais compreendidos e considerados essenciais ao genoma, sendo sequências genéticas dinâmicas. Dessa maneira, com o avanço tecnológico, científico e em estudos aprofundados, espera-se conhecê-los melhor, como também suas principais atribuições, aplicações e tarefas para a área científica. 1.3.1 Elementos de transposição em fungos Inicialmente, os elementos de transposição foram considerados raros em fungos, devido ao fato de serem poucos encontrados em modelos genéticos, como em espécies como Saccharomyces cerevisiae e Neurospora crassa (DABOUSSI & CAPY 2003; NOVIKOVA et al., 2009; MUSZEWSKA et al., 2011). Somado a isso, por exemplo, o entendimento atual da dinâmica de TEs em fungos ectomicorrízicos é irregular e limitado, dificultando a observação dos mecanismos potenciais que moldam o conteúdo destes elementos no genoma. Apesar disto, por meio de esforços, automatização e avanços no sequenciamento genômico, foi possível observar uma riqueza destes elementos em uma grande diversidade de genomas de fungos, sendo possível encontrar os TEs em espécies fúngicas pertencentes aos filos Ascomycota, Basidiomycota, Zygomycota e Chytridiomycota (Daboussi e Capy 2003; Novikova et al., 2009; Muszewska et al., 2011). 31 Assim, os fungos com genomas sequenciados representam uma grande diversidade de estilos de vida, como também uma variedade em tamanhos de genomas e em linhagens taxonômicas, tornando-os organismos de um reino eucariótico essencial para a genômica comparativa. De acordo com Parlange e colaboradores (2011), a quantidade de TEs chega a mais de 80% do genoma em alguns fungos. Além disso, de acordo com Anna Muszewska e colaboradores (2019), os elementos considerados mais transponíveis permanecem em silêncio, evoluindo de maneira neutra e apenas uma pequena fração se envolve em papéis adaptativos. Não obstante, ainda de acordo com Muszewska e colaboradores (2011), os retrotransposons das ordens LTR e LINE são amplamente distribuídos nos genomas de fungos, sendo os mais bem estudados e os mais fáceis de anotar. Em contraste, os transposons de DNA são poucos estudados, apesar de talvez serem igualmente onipresentes. Os genomas de fungos patogênicos, por exemplo, abrigam uma maior abundância de TEs, os quais estão frequentemente associados aos genes envolvidos na simbiose, sendo mais evidente em fungos biotróficos com uma estreita faixa de hospedeiros, como observado no fungo da ferrugem do colmo Puccinia graminis (HESS, J. et al., 2014) (DUPLESSIS et al., 2011). Assim, conforme Anna Muszewska e colaboradores (2019), a contagem de elementos de transposição está diretamente relacionada com o estilo de vida das espécies fúngicas, sendo elevada em espécies simbiontes de plantas e baixa nas consideradas parasitas de animais. Segundo o pesquisador Brian Charlesworth (1983), sabe-se que os números de inserções de elementos transponíveis, em um genoma, são dependentes de fatores como a taxa de transposição e a taxa de sobrevivência das cópias (CHARLESWORTH, B. & CHARLESWORTH, D. 1983), os quais são influenciados por vários processos ecológicos e genéticos populacionais. Dessa maneira, a taxa de transposição é modulada pela regulação de cópias ativas dos elementos transponíveis, os quais podem ser ativados por diferentes mecanismos, como o estresse (GRANDBASTIEN, 1998; CAPY et al., 2000), como também podem ser silenciados por mecanismos de defesa do genoma (DABOUSSI E CAPY, 2003). Enquanto isso, a taxa de sobrevivência de cópias de transposons, como também a de transposição destes elementos dependerá do impacto que uma inserção 32 terá no genoma, sendo influenciados por processos ecológicos e genéticos de uma população. Assim, se forem considerados deletérios, a seleção natural será capaz de removê-los da população em questão antes que se fixem. Não obstante, eventos demográficos, como gargalos populacionais, podem reduzir o tamanho efetivo da população, ocasionando em taxas mais altas de fixação de TEs deletérios (GHERMAN, et al., 2007; LOCKTON et al., 2008), uma vez que tamanhos populacionais pequenos reduzem a eficácia da seleção e, dessa forma, permitem taxas alteradas de fixação de TEs prejudiciais (CHARLESWORTH, B. & CHARLESWORTH, D. 1983). Não somente, fatores como o acasalamento do organismo também influenciam na retenção de elementos transponíveis, inferindo-se que, em uma população de organismos auto fecundantes, a disseminação de uma nova cópia de TEs é difícil e improvável (BOUTIN et al., 2012), além de ocasionar em uma diminuição do tamanho da população. Apesar disso, os impactos deletérios dos TEs são considerados insignificantes quando comparados aos benefícios oferecidos pelos mesmos, principalmente no que se refere ao aumento da plasticidade do genoma. Segundo Sultana et al. (2017), as regiões ricas em bases nitrogenadas adenina (A) e timina (T) são favorecidas por alguns tipos de elementos de transposição e geralmente são mais acessíveis para a enzima transposase. Tal fato também pode ser comprovado em resultados observados por Anna Muszewska e colaboradores (2019), os quais demonstram a capacidade dos genomas ricos em adenina e timina de hospedarem DNA de TEs. Conforme Léia Cecília e colaboradores (2005), diferentes estratégias podem ser utilizadas com a finalidade de encontrar elementos transponíveis. A primeira delas consiste na identificação e na clonagem de sequências repetitivas dispersas, apesar deste método não distinguir se essas sequências permanecem ativas. Segundo os pesquisadores, essa estratégia é essencial para identificar transposons que possuem alto número de cópias, independentemente da sua atividade. Uma outra maneira, entretanto, se dá pela inativação espontânea de genes clonados, sendo considerada como a mais satisfatória para a identificação de transposons ativos e, no geral, na aplicação a genes cujo fenótipo mutante pode ser selecionado positivamente. A terceira estratégia consiste na construção de oligonucleotídeos degenerados de domínios conservados de transcriptase reversa e transposases, sendo vantajosa na análise rápida de um grande número de organismos, como 33 também ser considerada bastante útil na identificação de elementos de classe I (método da transcriptase reversa) e elementos de classe II (método de transposase). Por fim, a última estratégia é responsável por utilizar sondas heterólogas em experimentos de hibridização, onde, apenas por meio de sondas apropriadas, detecta apenas transposons conhecidos. Desta forma, com base na literatura apresentada, conclui-se que os TEs podem contribuir para a evolução das espécies através da geração de variabilidade genômica que, por sua vez, pode possibilitar o sucesso reprodutivo e também a sobrevivência durante a colonização de novos hospedeiros, como também de novos nichos. 1.4 Filo Basidiomycota Classificados como o segundo maior filo de fungos em questão de espécies, ficando apenas atrás dos Ascomicetos, os Basidiomicetos possuem cerca de 40.000 espécies descritas (HE et al., 2022). Considerados cosmopolitas, os representantes desse filo atuam em vários ambientes, tanto desérticos, como a espécie Podaxis pistillaris, como também regiões polares, como Calvatia artica. Em geral, a maior parte das espécies se encontra em ambientes florestais, sendo consideradas lignícolas, ou seja, são capazes de decompor madeiras, folhas e húmus. Não somente, ainda possuem hábitos sapróbios, ectomicorrízicos, parasitas e simbiontes. Morfologicamente, as características básicas dos fungos desse filo consistem em um micélio filamentoso, pluricelular e bem desenvolvido, sendo conhecidos popularmente como cogumelos e orelhas de pau. É considerado como o filo mais apomórfico do Reino Fungi, consistindo em vários fungos macroscópicos em geral, com um basidioma característico (oubasidiocarpo) como o corpo de frutificação. Dessa maneira, a característica que os distingue é o basídio, estrutura especializada do ciclo reprodutivo sexuado, produtora de basidiósporos haploides (esporos sexuais) após a cariogamia, em número de 2, 4 ou 8. Com exceção da ordem Uredinales, tais fungos apresentam septos centralmente perfurados (chamado de septo doliporo, ou seja, com espessamento junto ao bordo), possuindo uma estrutura denominada parentossoma (Figura 3), a qual atua como um sistema de defesa e proporciona a transferência de um dos núcleos, após a sua divisão, de uma célula para outra sem o impedimento citoplasmático. O septo doliporo é considerado como típico deste grupo (Raven et al., 2014). 34 Figura 3 – Septo doliporo, representando a estrutura de defesa parentossoma. Fonte: Adaptado de Meredith Blackwell (2003). Atualmente, os basidiomicetos formam um grupo de grande importância para o homem. Na alimentação, o cultivo de cogumelos é uma atividade realizada há milênios na história humana, sendo ainda hoje de grande interesse culinário, nutricional e econômico, principalmente para indústrias em regiões como os Estados Unidos, Europa e Ásia. Com propriedades medicinais, espécies como Agaricus blazei e Ganoderma lucidum ganham destaque com sua ampla variedade de produtos secundários, enquanto Calvatia cyathiformis, um basidiomiceto menos conhecido, está sendo estudado na produção de substâncias antibióticas e antitumorais, sendo observado, até então, resultados satisfatórios. Relativo a economia, espécies como Ustilago maydis e Puccinia graminis, são fungos fitopatogênicos responsáveis por diversos prejuízos econômicos anuais, sendo, respectivamente, os causadores das doenças conhecidas como carvão-do- milho e ferrugem do colmo, as quais danificam diversas culturas agrícolas. 35 Nocivamente, poucas espécies são consideradas como patogênicas para os humanos. Entre estas, pode-se citar Filobasidiela neoformans, a qual acomete pessoas com o sistema imunológico comprometido. Os gêneros Cryptococcus, Candida e Bulera são os principais causadores de criptococoses e candidíases. Já outras, como Amanita muscaria e Psilocybe mexicanus, possuem substâncias alcalóides consideradas tóxicas ou alucinógenas, as quais, dependendo da gravidade, podem ser fatais. Com isso, estima-se que os Basidiomycota possuam cerca de 40.000 espécies espalhadas mundialmente, com a expectativa de que até 2030 mais de 54.000 espécies sejam descobertas, demonstrando a diversidade existente deste grupo (Alves, 2017; HE et al., 2022). De acordo com dados do projeto coordenado pelo Jardim Botânico do Rio de Janeiro, Fungos in Flora e Funga do Brasil (2022), cerca de 6.324 espécies de fungos estão registradas atualmente no território brasileiro, as quais distribuem-se em 122 ordens e 1.470 gêneros, número que vem crescendo consideravelmente conforme novos estudos e trabalhos são realizados na área. Dessa maneira, torna-se evidente a importância e diversidade deste grupo, o qual, não apenas reconhecido por sua estética popularmente conhecida e apreciada de cogumelos, possui relevância também na área da saúde, alimentar, econômica e ecológica, possuindo tanto efeitos benéficos como prejudiciais. Assim, conhecendo sua importância e contribuição para diferentes esferas, torna-se necessário mais trabalhos, estudos e divulgações acerca deste filo. 1.5 Genoma e ômicas Define-se como genoma todo o conjunto de informações genéticas de um indivíduo, incluindo os genes, os quais estão contidos nas moléculas de DNA presentes no núcleo das células e são considerados como unidades biológicas que determinam as características de um organismo. Entretanto, nem tudo o que está no genoma são genes, incluindo também a presença de sequências codificantes e não codificantes, ou seja, as quais não codificam proteínas, assim como as sequências extracromossomais, como as mitocôndrias. Sabe-se que nas espécies fúngicas, a mitocôndria difere da dos outros organismos eucariontes, sendo a maior organela presente nas hifas (LOGUERCIO- 36 LEITE, 2006). Além disso, na maioria dos fungos, o nucleóide se apresenta como um filamento duplo circular, apesar de se apresentar linear em alguns organismos, como na levedura Hansenula mrakii (LOGUERCIO-LEITE, 2006). Não somente, o genoma mitocondrial dos fungos também diverge de forma intraespecífica, principalmente em relação ao tamanho e à quantidade. Assim, podemos observar desde uma única grande mitocôndria em espécies como Saccharomyces cerevisiae, até múltiplas mitocôndrias que mudam de formato e em número dependendo dos estádios do ciclo celular, como também das condições de crescimento, conforme observado nas espécies Schizosaccharomyces pombe, Exophiala dermatitidis e Bullera alba (YAMAGUCHI et al., 2003). O estudo do genoma é denominado genômica, termo empregado pela primeira vez pelo geneticista norte-americano Dr. Thomas H. Roderick, em 1986. Neste sentido, acredita-se que a denominação seja derivada do termo “Genom”, usado por Hans Winkler em 1920 para descrever um conjunto de cromossomos haploides. Dessa maneira, os organismos apresentam diferentes genomas. Os procariontes, por exemplo, possuem genomas pequenos, enquanto os eucariotos, além de possuírem genomas maiores, possuem um genoma nuclear e um genoma extranuclear. Não obstante, é possível observar um terceiro genoma em plantas, o dos cloroplastos. Sabendo disto, o estudo do DNA é de fundamental importância para o entendimento da formação das características de um organismo. De acordo com dados do Consórcio Internacional de Sequenciamento do Genoma Humano (2001), infere-se que centenas de genes humanos têm resultado a partir da transferência horizontal de bactérias ocorrida em algum ponto da linhagem de vertebrados, havendo suposições de que esses genes são derivados de elementos transponíveis. Entretanto, ainda conforme esses dados, nota-se notável declínio na atividade geral dos elementos de transposição na linhagem de hominídeos, sobretudo envolvendo os transposons de DNA, os quais parecem ter se tornado completamente inativos. Em uma análise global de todos os genes, é necessário sequenciar muitos transcritos de DNA. Tal procedimento, denominado transcriptoma, é considerado um processo ainda muito complexo e desafiante. Assim, em um primeiro momento, o sequenciamento de DNA era um processo muito lento. Infere-se que, resumidamente, foi a partir da década de 70 que as técnicas de sequenciamento foram sendo 37 finalmente desenvolvidas, principalmente após a criação de protocolos que permitiram o sequenciamento das bases presentes nos fragmentos de qualquer DNA purificado. Por conseguinte, em 1977, o bioquímico inglês Frederick Sanger desenvolveu a técnica de sequenciamento de DNA, sendo a principal ferramenta utilizada entre os pesquisadores desde então. No entanto, foi apenas em 1986 que o primeiro sequenciador automático de DNA foi desenvolvido, após adequados avanços tecnológicos realizados. Dessa maneira, nas últimas décadas, com o grande aperfeiçoamento feito, disponível e alcançado pelas técnicas da Biologia Molecular e com tecnologias cada vez mais modernas e automatizadas, é possível isolar e sequenciar moléculas de DNA de maneira facilitada e rotineiramente, sendo um processo rápido, menos custoso e capaz de ser realizado em pouquíssimas horas. Sob essa ótica, a automatização do processo tornou possível que os sequenciamentos de material genético fossem cada vez mais populares e acessíveis em áreas clínicas e de pesquisa, ocasionando no desenvolvimento de novas tecnologias, como é possível observar no método de Sequenciamento de Nova Geração, ou NGS (do inglês, Next-Generation Sequencing), o qual permite o sequenciamentode milhões de fragmentos em questão de poucas horas. A partir dessa otimização de técnicas, surgiram programas de cooperação internacional com o foco em sequenciar genomas inteiros. Atualmente, infere-se que estão depositados cerca de mais de 3 milhões de sequências de DNA em bancos de dados, onde sua grande maioria ainda não possui função conhecida, uma vez que a caracterização da função gênica possui um volume maior de pesquisas e conhecimentos quando comparada com as etapas de isolamento e sequenciamento realizadas. Graças a esses avanços conhecidos, atualmente surgiram campos de pesquisas conhecidos como “omics”, ou ciências ômicas, que se referem a todas as abordagens de diferentes tecnologias utilizadas para se estudar a função, diferença e interação entre várias moléculas, como genes, proteínas, transcritos, etc. O sufixo “oma” significa “conjunto de”, sendo vista como o estudo de um conjunto inteiro, assim, por exemplo, hoje é possível observar a transcriptômica, proteômica, metabolômica, etc. Dessa maneira, a ômica une todas as abordagens analisando dados globais, sendo um ramo genético e molecular que possui como função o estudo do genoma de um ou mais organismos. 38 A genômica, por exemplo, foi a primeira das ciências ômicas a ter a tecnologia e dados disponibilizados, sendo o estudo do genoma, enquanto a proteômica estuda a distribuição e função de proteínas. O Projeto Genoma Humano, concentrado nos estudos da genômica, mediu grandes esforços em medicina de precisão voltada para a saúde humana, sendo considerado um esforço internacional e um dos maiores projetos biológicos colaborativo do mundo, com o objetivo de identificar e determinar os pares de bases que compõem o DNA humano, mapeando e sequenciando todos os genes do genoma. Segundo o Consórcio Internacional de Sequenciamento do Genoma Humano (2001), a ideia de sequenciar o genoma humano por inteiro foi inicialmente proposta em discussões científicas realizadas pelo Departamento de Energia dos EUA e outros de 1984 a 1986 (PALCA, 1986; SINSHEIMER, 1989). Dessa maneira, por meio da clonagem posicional (RIEDER et al., 1999), a pesquisa acerca do genoma humano foi fundamental para o encontro de genes de doenças que possuem funções bioquímicas ainda desconhecidas. Essa técnica de clonagem foi abordada pela primeira vez no inicio da década de 1980 (BOTSTEIN et al., 1980), onde o pesquisador tinha que gerar marcadores genéticos para rastrear a herança genética, sendo um processo considerado cansativo e que só foi contornado a partir da década de 1990 com o desenvolvimento de mapas genéticos e físicos dos cromossomos humanos, a partir dos prenúncios do Projeto Genoma Humano. Outro campo importante relacionado à saúde humana é a metagenômica, a qual também é conhecida como genômica ambiental, estudando a diversidade, taxonomia e funcionalidade de microrganismos que coexistem em um ambiente. Assim, por meio dela, é possível, por exemplo, estudar a microbiota humana e diagnosticar uma possível infecção. Quando ocorre o estudo de patologias virais, a metagenômica é conhecida como viroma. Atualmente, sabe-se que os elementos genéticos móveis desempenham um importante papel em muitos processos biológicos, havendo uma notória contribuição na saúde de organismos, como na biologia do câncer, (BURNS, 2017), doenças neurodegenerativas (JONSSON et al., 2020) e em interações patógeno-hospedeiro (SEIDEL et al., 2017). Segundo dados de Muñoz-Lopez e colaboradores (2010), há diversas formas de manipular o genoma de um organismo, seja ele somático ou germinativo. Além disso, os autores afirmam que comparados aos vetores de transposon, os sistemas 39 de liberação viral que são aplicados na terapia gênica possuem inúmeras desvantagens. Como exemplo, conforme dados de Manno et al. (2006) e de Thomas et al. (2003), os pesquisadores citam que os vetores virais podem induzir uma resposta imune destrutiva. Não obstante, a produção de tais vetores de vírus é considerada difícil e cara (GRIMM et al., 1998; TISCONIA et al., 2006), como também há a possibilidade destes de induzirem a oncogênese (THOMAS et al., 2003; WU et al., 2003; WU et al., 2006), além de possuírem a capacidade de carga relativamente limitada (sendo menos de 8 kb em lentivírus, retrovírus ou em vetores virais adenoassociados), conforme dados de Thomas e colaboradores (2003). Em contraste, focalizando nos sistemas de elementos genéticos móveis, eles são considerados mais baratos e mais fáceis de purificar e manipular, não sendo considerados imunogênicos (IVICS et al., 2009; OHLFEST et al., 2005). Não somente, conforme dados de Yusa e colaboradores (2009), em alguns casos, como observado no elemento de classe II piggyBac, esses elementos podem ser excisados sem deixarem alterações genéticas notáveis. Em contrapartida, a transcriptômica é responsável pelo estudo do transcriptoma, ou seja, o estudo do conjunto das moléculas de RNA que são expressas em um organismo, envolvendo todos os tipos de transcrições, incluindo RNAs mensageiros (mRNAs), microRNAs (miRNAs) e até diferentes tipos de RNAs longos não codificadores de proteínas, como os IncRNAs. Dessa maneira, é possível caracterizar mudanças na transcrição relacionadas com o desenvolvimento de doenças. Agrupando as várias ômicas hoje existentes, é possível realizar estudos integrando diversos dados, os quais, normalmente, são feitos em banco de dados e podem ser analisados e utilizados posteriormente para compreensão, por exemplo, da função e interação de determinada proteína, sendo este denominado "proteômica", ou seja, o estudo de uma ou de mais proteínas. Atualmente, várias técnicas envolvendo a proteômica têm sido utilizadas, como a espectrometria de massa, a qual identifica biomarcadores associados a cânceres, como o de mama. Entretanto, ao se estudar as ômicas de forma individualizada, os resultados podem se dar de forma distorcida ou tendenciosa. Dessa maneira, para se obter uma resposta completa e uma visão mais ampla dos diferentes dados ômicos, utiliza-se a multi-ômica, a qual é o conjunto integrado de dados ômicos (ou seja, engloba a genômica, proteômica, transcriptômica, etc.), 40 examinando vários aspectos moleculares e celulares envolvidos com a saúde humana para assegurar resultados confiáveis relacionados aos processos biológicos. Todavia, tal técnica necessita de constante desenvolvimento e avanço computacional para que ocorra o processamento destes dados ômicos, além de que, por depender de vários fatores que permitem a análise efetiva dos dados biológicos, deve-se considerar ainda o alto custo nos tempos atuais. Assim sendo, para essas análises é fundamental que, além dos bancos de dados, também se utilize técnicas de bioinformática, as quais são técnicas computacionais associadas com dados de caráter biológico, sendo, portanto, um ramo indispensável para as ciências ômicas, havendo introdução de novas aplicações biotecnológicas e um grande progresso na área de saúde e evolução humana, sendo dados muito importantes capazes de estudar diversas áreas, como microbiologia, agropecuária, edições genéticas, tratamentos, etc. 1.6 Bioinformática A bioinformática é considerada como uma área interdisciplinar inovadora de pesquisa e análise de dados experimentais, a qual faz uso de técnicas de computação, estatística e informática relacionadas aos sistemas biológicos, visando simplificar as aplicações biológicas, além de criar um amplo panorama capaz de reconhecer os princípios da biologia. Deste modo, trabalhando com dados existentes, é considerada ideal para a interpretação e resolução de possíveis problemas, aprofundando-se em assuntos como o sequenciamento genômico, e estendendo-se a experimentos capazes de determinar a estrutura e função de moléculas biológicas (LIMA, 2020), os quaispermanecem seguros em um banco de dados biológicos por meio de comparação e de análise de diversos algoritmos computacionais. Esse campo de estudo teve papel fundamental na solução e de manipulação de dados, os quais foram gerados em larga escala a partir com o surgimento e desenvolvimento da Biologia Molecular na década de 80, e sua consequente criação de novas metodologias e tecnologias (KREMER, 2021). Assim, com o grande volume de dados gerados, prefere-se a utilização de tecnologias de softwares para a análise e compreensão do genoma de diversos organismos, ação que era realizada, anteriormente, de maneira manual e que atualmente é considerada de pouca 41 praticidade. Historicamente, a bioinformática surge a partir da década de 50 com a físico- química americana Margaret Oakley Dayhoff, considerada mãe da bioinformática e responsável pela criação de um software capaz de sequenciar proteínas, transformando e agilizando o processo (KREMER, 2021). Não obstante, a pesquisadora também foi a pioneira desta área, estabelecendo um banco de dados computacional para sequências de proteínas, sendo considerado o primeiro desse tipo. Em 1965, aplicando tecnologias de computação, Dayhoff escreveu o livro intitulado Atlas de Estruturas e Sequências de Proteínas (do inglês, Atlas of Protein Sequence and Structure), o qual contém as 65 sequências de proteínas até então conhecidas e que serviu de inspiração para que fosse criado o banco de dados públicos de sequências de nucleotídeos, o atual GenBank, além de levar à criação da base de dados Protein Information Resource, desenvolvida no grupo de pesquisa da responsável (KREMER, 2021). Assim, a partir da década de 50, sabe-se que já haviam pesquisadores trabalhando com o sequenciamento de genomas. Entretanto, a expressão “bioinformática” surge apenas em 1978 com Paulien Hogeweg e Ben Hesper, os quais utilizaram-se do termo para explicar pesquisas referentes ao uso computacional na área de estudo de sistemas biológicos. Uma das principais aplicações da bioinformática envolve a predição funcional de proteínas, a identificação de elementos transponíveis, o desenvolvimento in silico de fármacos e vacinas (vacinologia reversa), como também contribui em diversos tratamentos médicos (JANICKI et al., 2011). Dessa maneira, um profissional bioinformata pode atuar não apenas em laboratórios, como também em hospitais, indústria de fármacos, de agronomia e de alimentos, como também em centros de pesquisa, na medição da biodiversidade, comparação genômica e no estudo da biologia evolutiva, por exemplo. As ferramentas de software utilizadas nesse campo vão desde simples técnicas de comando até os mais complexos gráficos e serviços, os quais estão situados em companhias de bioinformática ou em instituições públicas. Atualmente, a ferramenta mais conhecida de biologia computacional entre os pesquisadores é o BLAST (sigla do inglês, Basic Local Alignment Search Tool), o qual é uma ferramenta 42 básica de pesquisa de alinhamento, ou seja, é um algoritmo capaz de determinar a semelhança entre sequências presentes em bases de dados protéicos ou de DNA, por exemplo. Tal material pode ser encontrado disponível no NCBI (sigla do inglês, National Center for Biotechnology Information), uma plataforma responsável por abrigar diversos bancos de dados. Assim sendo, esta esfera tecnológica torna-se uma área cada vez mais valorizada, principalmente com o rápido desenvolvimento da computação e de processamentos de dados, onde a redução de tempo e recursos são qualidades benéficas em experimentos práticos de bancada e análises in silico (JANICKI et al., 2011), sendo essencial em pesquisas moleculares, principalmente na área da saúde e Bioquímica para o futuro e melhor compreensão da pesquisa científica e molecular. 1.7 Biotecnologia fúngica O Reino Fungi é considerado enorme, estimando-se haver pouco mais de seis milhões de espécies existentes no planeta, das quais poucas são conhecidas. A maioria possui hábitos considerados saprófitos e se nutrem por meio de plantas e animais mortos, sendo essenciais no processo de decomposição. Ainda assim, apenas pouquíssimas espécies são efetivamente exploradas pela biotecnologia. Dessa maneira, considera-se que reconhecer suas capacidades metabólicas será a chave para alcançar a economia circular (MEYER et al., 2020), tornando-se evidente a importância dos fungos na contribuição para a mitigação das mudanças climáticas, ciclagem de nutrientes e na esperança de um mundo mais sustentável. Os fungos são considerados organismos com alta capacidade de transformar materiais orgânicos em um conjunto rico e diversificado de produtos, os quais são úteis e oferecem uma variedade de oportunidades para os seres humanos. Assim, a biotecnologia fúngica faz-se essencial nos dias atuais, uma vez que torna capaz o enfrentamento de desafios urgentes envolvendo o ambiente, como, por exemplo, transformar uma economia baseada em petróleo em uma economia circular de base biológica (MEYER et al., 2020). Outrossim, produzir formas sustentáveis de alimentos, rações, produtos químicos, têxteis e materiais para as indústrias de construção, automotivo e afins. 43 Infere-se que, em um futuro próximo, novos produtos fúngicos irão ser introduzidos no mercado, oferecendo características semelhantes, ou até mesmo superiores aos produtos clássicos presentes no mercado, além de, não obstante, serem opções mais sustentáveis. Dessa maneira, sabe-se que fungos filamentosos possuem diversas capacidades metabólicas naturais, produzindo inúmeras enzimas e produtos como o ácido cítrico e ácidos orgânicos, além de produtos químicos, antibióticos e outras drogas, proteínas alternativas à carne, vitaminas, ácidos graxos poliinsaturados e couros veganos (MEYER et al, 2020). A espécie Aspergillus niger, por exemplo, é um potencial produtor de outros ácidos orgânicos, tais como itaconato e galactonato. O itaconato é um composto capaz de substituir o ácido poliacrílico à base de petróleo, enquanto o galactonato é responsável pela substituição do polietileno tereftalato (PET), usado mundialmente para a produção de plástico e de grande preocupação global pelo consequente descarte incorreto e tempo de vida longo. Não obstante, fungos como Aspergillus oryzae, a qual possui grande importância na área alimentícia asiática, Aspergillus terreus e Penicillium chrysogenum (P. rubens) são considerados excelentes representantes para as indústrias farmacêuticas. Como exemplo, pode-se citar a lovastatina, droga protagonizada amplamente como um medicamento redutor de colesterol, sendo um composto produzido por meio do metabolismo secundário de A. terreus. Por outro lado, a penicilina, também reconhecida como um importante antibiótico, é produzida pela espécie fúngica P. chrysogenum (P. rubens). O quadro 1 lista alguns produtos farmacêuticos derivados de fungos filamentosos comercializados atualmente. QUADRO 1 – Produtos farmacêuticos comercializados derivados de fungos filamentosos e suas aplicações Produtos farmacêuticos Funções 𝛽-lactâmicos Penicilinas e cefalosporinas são responsáveis por mais de 30% do mercado global de antibióticos. 44 Ciclosporina Importante imunossupressor que evita rejeição de órgãos em transplantes. Estatinas Lovastatina e sinvastatina são utilizadas para tratar doenças cardiovasculares, diminuindo os níveis de colesterol. Psilocibina Considerada como terapia inovadora no tratamento de transtornos depressivos maiores. Griseofulvina Antifúngico utilizado para o tratamento de infecções cutâneas. Drospirenona Hormônio esteroide utilizado como contraceptivo hormonal. Fonte: Reproduzido e adaptado de Meyer et al. (2020). Além disso, os fungos também são capazes de secretar enzimas, como celulases e hemicelulases, catalisadoresproteicos considerados como a chave na conversão de biomassa lignocelulósica em biocombustível, sendo de grande interesse comercial, podendo ser observado em espécies como Trichoderma reesei e Termothelomyces thermophilus. Atualmente, a empresa norte-americana Dyadic International, inc.Ⓡ utiliza esta última como potencial produtora de produtos biológicos, incluindo vacinas, enzimas terapêuticas e biossimilares. Historicamente, os fungos são considerados e utilizados como alimentos há um longo tempo, sendo os corpos de frutificação destes os mais consumidos entre os humanos, apresentando grande variedade de sabores, aromas e texturas. Como substitutos de carne, algumas espécies como Laetiporus sulphureus (também conhecida como “Frango do Bosque”), Fistulina hepatica (considerada “Bife de fungo”) e Fusarium venenatum são as principais, onde, por meio das suas hifas filamentosas, assemelham-se e dão a sensação de carne na boca, principalmente de frango. Além disso, por possuírem elevado teor de aminoácidos, fibras e alta digestibilidade, além de baixo teor de gordura saturada, são considerados um alimento excepcionalmente saudável e alternativo. 45 Com a habilidade de mitigar a poluição plástica, as enzimas lacases fúngicas e/ou outras enzimas oxidativas são uma alternativa de base biológica, sendo predominantes em asco e basidiomicetos (MEYER et al., 2020). Deste modo, muitos basidiomicetos são reconhecidos pela sua capacidade de degradação de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, sendo aplicados em processos de biorremediação de solos e líquidos contaminados. As espécies identificadas de basidiomicetos como Agrocybe aegerita, Auricularia auricular-judae, Pycnoporus cinnabarinus e Bjerkandera adusta, por exemplo, são efetivas produtoras de enzimas capazes de degradar plástico, sendo de notável importância nos tempos hodiernos onde gera-se alta produção, consumo e poluição ambiental por meio deste material. Diante do exposto, percebe-se que os fungos possuem elevada relevância para a espécie humana desde períodos antigos da História, sendo considerados tanto o nosso passado, presente e, consequentemente, o nosso futuro. Por meio das suas habilidades de transformações de materiais, capacidades biossintéticas e reciclagem, as espécies fúngicas estão cada vez mais sendo exploradas e aproveitadas por indústrias e estudiosos, as quais podem ser consideradas atualmente como potenciais alternativas na conversão da economia atual com altos contaminantes para uma economia circular sustentável (MEYER et al., 2020), garantindo saúde humana, animal e vegetal por meio da biotecnologia. 2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo geral Reunir, investigar e revisar vários estudos e ensaios de diversos materiais bibliográficos sobre a influência dos elementos transponíveis no genoma, com destaque para as espécies fúngicas de basidiomicetos, além de procurar identificar o contexto genômico onde estão inseridos, como também sua importância para a área científica, ambiental, de saúde e econômica nos tempos atuais, sobretudo após os avanços em pesquisa e o projeto de novas tecnologias, especialmente as técnicas computacionais, visando contribuir para o entendimento das relações entre os elementos transponíveis e as espécies fúngicas hospedeiras. 2.2 Objetivos específicos 46 ● Fazer levantamento e revisão em artigos científicos sobre elementos transponíveis focando em espécies fúngicas; ● Realizar uma análise e breve descrição e contextualização de elementos transponíveis de acordo com a literatura; ● Oferecer uma descrição histórica dos elementos transponíveis; ● Tentar identificar os principais elementos transponíveis presentes em genomas fúngicos disponíveis em referências bibliográficas e suas implicações em diferentes áreas de conhecimento, principalmente a biológica, médica, ambiental, tecnológica, agroecológica e econômica. ● Identificar e discutir a importância e evolução do estudo sobre os elementos transponíveis. 3 MATERIAL E MÉTODOS 3.1 Coleta de Dados A priori, o presente trabalho trata-se de uma revisão bibliográfica, com a realização de um levantamento bibliográfico de diversos artigos que abordam os elementos de transposição, envolvendo especialmente a consulta acerca dos representantes fúngicos do grupo Basidiomycota. A consulta por essas bibliografias se deu em um período aproximado correspondente a um ano, sendo iniciado especificamente no mês de setembro do ano de 2022 e, enfim, finalizado no mês de julho de 2023, onde as informações coletadas foram pesquisadas às bases de dados em ferramentas especializadas disponíveis online como US National Library of Medicine (Pubmed), Scientific Electronic Library Online (SciELO), Scholar Google e National Center for Biotechnology Information (NCBI). As investigações nestes sites foram realizadas com o uso das seguintes palavras-chaves: Basidiomicetos, Fungi e Elementos Transponíveis. Os conteúdos foram selecionados a partir de teses, vídeos pesquisados na plataforma online Youtube, artigos e revistas científicas nos idiomas português e inglês. Não obstante, além dos sites, também houve a procura por materiais físicos na Biblioteca Central Zila Mamede da UFRN. Além disso, para o levantamento de materiais adicionais, foram consultadas as referências bibliográficas dos artigos lidos. 47 4 RESULTADOS Nessa presente revisão bibliográfica, foram coletados aproximadamente 49 materiais bibliográficos na literatura relacionando elementos transponíveis em fungos, havendo uma coleta de informações pesquisadas às bases de dados em ferramentas online, como Science, US National Library of Medicine (Pubmed), Scientific Eletronic Library Online (SciELO), Scholar Google e National Center for Biotechnology Information (NCBI). Nota-se que a formação e a organização de agrupamentos de elementos de transposição é uma característica geral e frequentemente observada em genoma de fungos. Assim sendo, os elementos transponíveis são abundantes dentro do Reino Fungi, representando cerca de 3 a 20% do genoma (HUA-VAN et al., 2005), onde genomas recentemente sequenciados demonstram uma presença significante de transposons. Sabendo disso, o conhecimento de que estes elementos possuem um papel fundamental em mutações e na organização genômica levou a um desenrolar do mecanismo destes nas mudanças genéticas em fungos, principalmente nas espécies filamentosas, onde observa-se o fornecimento de uma variabilidade genética ampla, a qual é útil para a adaptação às diferentes pressões ambientais presenciadas em populações naturais (DABOUSSI E CAPY, 2003). Assim sendo, a primeira evidência de que os elementos transponíveis estão presentes no DNA de fungos filamentosos surgiu por meio de estudos realizados em genética convencional com a participação de mutantes da espécie fúngica Ascobolus immersus, a qual possui coloração instável em esporos. Não obstante, o primeiro elemento transponível ativo identificado e isolado foi o elemento Tad, na espécie filamentosa Neurospora crassa, onde o mesmo está inserido no gene am (glutamato desidrogenase) (KINSEY e HELBER, 1989). 4.1 Os elementos transponíveis em diferentes espécies fúngicas Utilizando o sequenciamento de leitura curta em genomas de fungos, Jaqueline Hess e colaboradores (2014) desenvolveram duas abordagens complementares para analisar a diversidade e a dinâmica de elementos de transposição em duas espécies assimbióticas (A. thiersii e A. inopinata) e três 48 ectomicorrizas (A. brunnescens, A. polypyramis e A. muscaria var. guessowii) do gênero Amanita, como também do fungo assimbiótico da espécie Volvariella volvacea. Assim, em espécies ectomicorrizas, foi possível evidenciar uma atividade de elementos de transposição observada tanto em padrões contemporâneos quanto em históricos, apesardas três espécies estudadas estarem em diferentes estágios de invasão de elementos de transposição. Enquanto as representantes Amanita brunnescens e A. polypyramis demonstraram sinais de atividade recente e contínua de elementos de transposição (Figura 2), a espécie A. muscaria abriga uma proporção mais modesta de elementos transponíveis, os quais, infere-se, podem ter proliferado menos extensivamente no genoma quando comparado com as duas primeiras espécies. Apesar disso, análises filogenéticas sugerem que esta última também sofreu expansões de transposons em seu genoma em algum momento no passado. Em contrapartida, os genomas das duas espécies assimbióticas estudadas demonstram um padrão diferente. Por exemplo, ao se observar os genomas de espécies como V. volvacea e A. inopinata, foram analisadas apenas evidências modestas de atividade recente em conteúdo de transposons, onde ambas as espécies codificaram somente pequenas quantidades de TEs. Entretanto, ao se observar a espécie Amanita thiersii, esta forneceu evidências de amplificações recentes relacionadas com todas as três superfamílias de elementos de transposição de classe I (LINE, LTR/Gypsy e LTR/Copia), albergando populações destes elementos com o triplo do tamanho dos genomas das outras duas espécies assimbióticas, como observado na Figura 4. Como os resultados indicam, nota-se que grandes amplificações de TEs são encontradas em espécies ectomicorrízicas, como também na espécie assimbiótica A. thiersii, os quais, nesta última, se expandiram recentemente. Figura 4 – Elementos de transposição em diferentes espécies fúngicas. 49 Fonte: Reproduzido e adaptado de Hess, J. et al. (2014). Legenda: Os gráficos de pizza mostram a porcentagem em cada montagem anotada como TE (preto) e não TE (cinza). Os nomes das espécies ectomicorrízicas estão marcados em verde, enquanto as espécies assimbióticas em preto. Ao analisar genomas fúngicos disponíveis publicamente, Anna Muszewska e colaboradores (2019) demonstraram o impacto dos elementos transponíveis na expressão gênica. Desse modo, ao considerarem o estilo de vida, infere-se que o genoma fúngico seja enriquecido em TEs, os quais desempenham um importante papel na mudança de hospedeiro, como também na adaptação a novos nichos ecológicos, como foi observado na espécie Magnaporthe oryzae, onde os genes associados aos elementos de transposição estão envolvidos na especialização do hospedeiro. Não somente, os elementos de transposição também estão relacionados com a regulação dos genes em fungos, como também infere-se que tais elementos colaboram para a evolução de agrupamentos gênicos do metabolismo secundário em algumas espécies (SHAABAN et al., 2010), como observado no fungo Aspergillus nidulans, onde os elementos transponíveis são possíveis reguladores positivos dos agrupamentos de genes relacionados com a biossíntese de penicilina. 50 Em alguns casos, entretanto, esse padrão de disponibilidade abundante não é detectado. Isso pode ser visto na espécie fúngica parasita Ustilago maydis, a qual, reconhecida como agente da doença-do-carvão do milho, possui somente 1,1% de elementos transponíveis em seu genoma (KAMPER et al., 2006). Em contraste, na espécie causadora do oídio do trigo, Blumeria graminis, estima-se que os elementos de transposição constituem cerca de 85% do genoma (PARLANGE et al., 2011). Além disso, como consequência, até mesmo os táxons de fungos que são estreitamente relacionados podem divergir quanto ao conteúdo e presença de elementos de transposição. Isso pode ser observado, como exemplo, nas espécies do gênero Amanita, as quais apresentam diferentes estilos de vida, podendo ser tanto saprofíticos, quanto micorrízicos. 4.2 Distribuição de elementos transponíveis no genoma fúngico Ao se estudar o genoma de 625 fungos, Muszewska (2019) observou 2.023.812 fragmentos de elementos de transposição, além de 293.746 elementos de transposição com um domínio de proteína relacionado a TE. Como conclusão, foi observado que TEs não autônomos e remanescentes se sobrepõem de maneira massiva em regiões gênicas, sugerindo uma contribuição das sequências derivadas de TEs para os genes do hospedeiro. Não somente, através dos seus estudos, Anna e colaboradores totalizaram que 64% de elementos transponíveis não autônomos estariam co-localizados com genes, sugerindo uma grande contribuição das sequências derivadas dos elementos móveis aos genes do hospedeiro, como também uma arquitetura compacta de muitos genomas fúngicos, a qual assume uma distribuição aleatória de TEs e genes antigos em diversos genomas fúngicos. Assim, sob essa ótica, considera-se que os genomas mais compactos hospedam mais elementos de transposição remanescentes inseridos em regiões possuidoras de genes, quando comparados com genomas com maior espaço não gênico, como é observado na Figura 5. Figura 5 – Distribuição de TEs no gene com domínios relacionados a TEs em genomas com densidade genética diferente. 51 Fonte: Reproduzido parcialmente e adaptado de Muszewska, A. et al., 2019. Legenda: A distribuição de TEs em genes com (A) e sem (B) domínios relacionados a TE em relação a genomas com diferentes densidades gênicas. Em contrapartida, julga-se que os elementos transponíveis considerados funcionais raramente se inserem em genes, não apresentando uma preferência por domínios específicos de proteínas e, normalmente, se agrupam com outros TEs em áreas genômicas contendo menos genes, formando, desta maneira, um conjunto de TEs ou elementos compostos. 4.3 Os elementos transponíveis em diferentes estilos de vida fúngica 52 Como já dito anteriormente, os fungos patogênicos, como também os relacionados aos animais, possuem mais elementos transponíveis em seu genoma quando comparados com espécies de outros estilos de vida. Os fungos saprotróficos relacionados às plantas, ao solo ou ao esterco possuem menos TEs sobrepostos em regiões gênicas. Como explicação, infere-se que este efeito esteja correlacionado com a compactação do genoma dos fungos patogênicos, além da expansão do genoma presente em muitos fungos associados a plantas. Assim, sugere-se que a arquitetura do genoma seja um fator determinante para a relação entre o genoma codificante e não codificante, como observado na Figura 6. Conquanto, análises estatísticas realizadas por Anna Muszewska e colaboradores (2017) demonstram que os fungos relacionados a plantas são significativamente mais propensos ao acúmulo de elementos transponíveis em seu DNA, sendo este fato mais extremo e notável em simbiontes de plantas. Figura 6 – Distribuição de TEs em fungos com diferentes estilos de vida. 53 Fonte: Reproduzido e modificado de Muszewska, A. et al, 2019. Legenda: Distribuição de TEs em fungos com diferentes estilo de vida. De acordo com Amselem e colaboradores (2015), os elementos de transposição em fungos demonstraram acelerar a evolução de genes que afetam, 54 além da patogenicidade, a quantidade de hospedeiros. Em compensação, a capacidade de invasão destes elementos é contrabalançada por mecanismos de defesa do hospedeiro capazes de restringir a expressão e mobilidade de elementos móveis no genoma. Bestor e Tycko (1996) formularam a hipótese de que a metilação da citocina é um dos sistemas de defesa genômica do hospedeiro sendo, portanto, capaz de suprimir e inativar a transcrição de sequências de elementos considerados parasitas, tais como os elementos transponíveis. Sabe-se que, em muitos eucariotos, as sequências repetidas são modificadas por metilação em resíduos de citocina na posição 5’, sendo a metilação de DNA um dos mecanismos globais capaz de regular a expressão gênica. À vista disso, são conhecidos três mecanismos de defesa em fungos contraos elementos de transposição. O primeiro mecanismo, descoberto pela primeira vez na espécie Neurospora crassa, envolve a Mutação Pontual Induzida por Repetição (RIP, do inglês Repeat Induced Point Mutation), a qual ocorre em um estágio pré-meiótico durante a reprodução sexuada, detectando duplicações de sequências de DNA e induzindo mutações irreversíveis de C:G para T:A em alta taxa nessas sequências. O segundo mecanismo, descoberto pela primeira vez na espécie Ascobolus immersus, e que também ocorre durante a reprodução sexuada, é a Metilação Induzida Pré-meioticamente (MIP, do inglês Mutation Induced Point), sendo necessária para a metilação de novo da citocina em sequências repetidas durante a meiose. Já o terceiro e último mecanismo conhecido é denominado Quelling, também identificado pela primeira vez na espécie Neurospora crassa. Este envolve a maquinaria de interferência de RNA que suprime a expressão de elementos de transposição, ocorrendo o silenciamento gênico epigenético conforme processa-se o crescimento vegetativo, sendo, portanto, um mecanismo RNA-dependente pós- transcricional capaz de bloquear a expressão dos genes considerados homólogos aos do DNA introduzido por transformação. Dessa maneira, observa-se que a seleção natural e a evolução, sob uma rígida regulação envolvendo os mecanismos de controle e defesa do hospedeiro, permitem que haja um balanço tolerável entre os efeitos deletérios e benéficos ao longo prazo para a linhagem, de modo a evitar que ocorra acúmulo de mutações prejudiciais aos indivíduos (OLIVER e GREENE, 2009). 55 Tratando das diferentes classes conhecidas em elementos transponíveis, os retrotransposons da classe I, particularmente os da ordem LTR (Gypsy/Ty3), são os mais bem estudados e fáceis de serem observados, sendo considerados os mais abundantes em fungos (CASTANERA et al., 2016; GONZAGA, 2017). No que se refere aos elementos de classe II, os transposons de DNA são igualmente importantes e frequentes no genoma fúngico (PRITHAM, 2009), entretanto são pouco estudados quando comparados aos elementos da classe I, onde apenas as superfamílias Tc1/Mariner, hAT, MULE e MITEs foram registradas em fungos (DABOUSSI et al. 2003). Dessa maneira, percebe-se que ainda há muitos transposons a serem detectados dentro do Reino Fungi (MUSZEWSKA, A. et al., 2019). 4.4 Os elementos transponíveis em diferentes linhagens de fungos Em relação aos outros filos de fungos associados aos animais, principalmente àqueles associados a divisão Ascomycota, tal como a classe Sordariomycetes associada a insetos (Hirsutella, Metarhizium, Ophiocordyceps e Pochonia), a ordem Onygenales em que os representantes estão associados aos vertebrados (Ajellomyces capsulatus e Paracoccidioides); a espécie P. destructans e o patógeno humano oportunista Curvularia lunata apresentam alta abundância de transposões. Enquanto isso, as linhagens mais antigas de fungos, como Cryptomycota, Microsporidia, Chytridiomycota e Blastocladiomycota possuem pouco transposons de DNA, onde a redução e eliminação destes elementos é esperada para parasitas obrigatórios com genomas compactos, como Microsporidia. Entretanto, isso não é uma regra e nem todos eles têm genomas reduzidos. Um exemplo disso é a espécie Anncaliia algerae, a qual possui um genoma altamente repetido com mais de 240 famílias de transposões (Parisot et al. 2014). Além desta, segundo dados de Anna Muszewska e colaboradores (2019), as espécies do filo Microsporidia, Hamiltosporidium tvaerminnensis, Nosema bombycis e Pseudoloma neurophilia, também foram colonizados por diversos elementos móveis. Não obstante, gêneros como Rhizophagus, Pucciniomycetes e Mucorales, tendem a ter elementos mais diversos e, além disso, maiores cópias de elementos de transposição, como também são considerados os taxa com os maiores tamanhos de genoma. Por fim, no que se refere aos Basidiomycota além das espécies já anteriormente citadas, como as do gênero Amanita, duas arquiteturas genômicas 56 podem se diferenciar. Assim, enquanto os representantes do subfilo Ustilaginomycotina são compactos e possuem poucas repetições (onde espécies do gênero Malassezia, por exemplo, possuem menos de dez elementos ativos), a classe Microbotryomycetes possui diversos transposons, enquanto Pucciniomycetes possui genoma grande com muitos elementos de transposição. Assim sendo, chega-se na conclusão de que independentemente da preferência de inserção de alguns elementos transponíveis, o padrão geral de distribuição genômica corrobora uma forma aleatória de dispersão destes dentro dos genomas. Assim sendo, a proporção do genoma originado de elementos móveis varia em diferentes linhagens fúngicas, como visto anteriormente, permanecendo um fenômeno considerado caso a caso, onde os elementos possuem diversos papéis, incluindo adaptativos. 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS A partir dos achados relatados neste trabalho, o avanço e a disponibilidade na montagem de banco de dados e no sequenciamento do genoma permitiu o esclarecimento da diversidade de elementos transponíveis presentes nos organismos, principalmente em eucariontes, onde observa-se diversas alterações gênicas em geral. Deste modo, os avanços nas metodologias acerca da genética molecular possibilitaram a expansão no conhecimento sobre os elementos de transposição e como eles atuam, sendo hoje identificados em todos os organismos vivos e responsáveis por compor abundantemente o genoma da maioria dos eucariontes. Sabendo disso, os elementos transponíveis, anteriormente considerados como DNA lixo e parasitas, contribuem para a estrutura e regulação do genoma, ocasionando em diferentes alterações gênicas, como rearranjos cromossômicos, especiação, expressão gênica, recombinação homóloga e centrômeros eucarióticos. Sob essa ótica, observa-se um crescente interesse e estudo em suas aplicações práticas, envolvendo, sobretudo, a bioinformática com a análise computacional, gerando uma expectativa para a biologia molecular e evolucionária, como também para diferentes áreas, como a indústria farmacêutica e fitopatologia. Este trabalho possibilitou entender que os elementos de transposição foram observados e identificados pela primeira vez em fungos na levedura Saccharomyces cerevisiae (Boeke, 1989). Deste modo, conforme a leitura de diversos artigos, infere- se que a arquitetura do genoma depende diretamente da ecologia fúngica. 57 Entretanto, apesar de seus papéis vitais na formação da complexidade da vida estarem começando a serem compreendidos, considera-se que os elementos transponíveis ainda são poucos estudados em genomas eucarióticos, havendo a necessidade de maiores estudos bibliográficos e laboratoriais, os quais irão proporcionar um melhor cenário para a compreensão destes elementos. Como observado, os fungos relacionados à patogenicidade e aos animais possuem mais elementos de transposição inseridos em genes quando comparados com fungos com outros estilos de vida (Muszewska, A. et al., 2019). Não obstante, fungos relacionados às plantas são considerados os mais propensos ao acúmulo de elementos de transposição, sendo os simbiontes de plantas os mais extremos (Muszewska, A. et al, 2019). Além disso, os elementos móveis estão relacionados com a evolução do genoma, constituindo uma fração menor da maioria dos genomas de fungos. Suas atuações como potentes elementos reguladores, parasitas genômicos e sequências quase neutras são revisadas constantemente. Os elementos de transposição, como observado por Anna Muszewska e colaboradores (2019), contribuem para o genoma fúngico. Dessa maneira, observa- se que, quanto menores as distâncias gênicas, além de menos regiões não gênicas, mais sequências relacionadas a TEs se sobrepõem sobre os genes, as quais podem ser consideradas como uma consequência da distribuiçãoaleatória de elementos móveis, como também percebe-se uma falta de preferência de local de destino rastreável entre a maioria dos tipos de TEs. Além disso, os elementos de transposição tendem a se inserir em outros TEs levando a formação de elementos compostos. Assim, quanto maior o genoma, com maiores distâncias entre os genes, menos elementos de transposição se sobrepõem aos genes e, como consequência, os genomas pequenos permanecem pequenos enquanto os grandes crescem. Tal crescimento em grandes genomas fúngicos pode ser relacionado com a deriva genética, ocorrendo novas mutações ligeiramente deletérias com o tempo, além de elementos móveis e íntrons. Ao se analisar inúmeros dados de genomas de diversos organismos com diferentes tamanhos no genoma, estilo de vida, posição taxonômica e abundância de TEs, conclui-se que os elementos de transposição desempenham diversos papéis no curso da evolução de organismos fúngicos, incluindo funções adaptativas. Além disso, tal análise abre margem para questionamentos entre os autores acerca se inserções 58 de TEs estariam relacionadas com categorias funcionais específicas, como o estresse, mutualismo ou fosforilação. Infelizmente, os elementos de transposição ainda são poucos estudados, principalmente quando relacionados aos genomas eucarióticos, apesar de, nos últimos tempos, seus papéis vitais na formação da complexidade de vida estarem começando a ser compreendidos. Dessa maneira, atualmente, os transposons são aplicados como agentes mutagênicos dentro da pesquisa básica, como também são utilizados como marcadores moleculares em estudos filogenéticos e populacionais. A partir dos achados relatados neste trabalho, percebe-se que os elementos transponíveis são componentes essenciais do genoma, principalmente dos fungos, indicando que estes são antigos em seus genomas. Por meio do estudo e sequenciamento genômico de diferentes espécies de Ascomycota e Basidiomycota, novos transposons foram e podem ser descobertos. Dessa maneira, por meio deles, é possível haver mudanças como transposição e recombinação, fornecendo variação genética e capacidade de adaptação a novos ambientes. Por fim, há perspectivas de mais estudos para o aprimoramento do conhecimento acerca destes elementos, sendo de fundamental importância para a biologia molecular, onde a análise genômica será útil para o entendimento do impacto dos transposons na evolução fúngica, além de melhorar a compreensão acerca do seu potencial para pesquisas futuras e estudo de processos sobre a transferência genética horizontal em diversas espécies, como também suas contribuições para a economia, ecologia, sustentabilidade, saúde e bem-estar. 59 REFERÊNCIAS ALVES, C. R. Estudo da comunidade de fungos gasteroides (Agaricomycetes, Basidiomycota) em três ecossistemas da Mata Atlântica da Região Sul do Brasil. Orientadora: Prof(a). Dr(a). Rosa Mara Borges da Silveira. 2017. 113 f. Tese (Doutorado em Ciências (Botânica)) - Programa de Pós-Graduação em Botânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2017. Disponível em: https://lume.ufrgs.br/handle/10183/234373. Acesso em: 22 fev. 2023. 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