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Monograph Molecular Genetics

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Introduction to Molecular Genetics, General Concepts

Text of Monograph Molecular Genetics

MEDICINA NO SCULO XXI MONOGRAFIA - I Gentica Molecular - Conceitos GeraisIuri D. Louro, MD. PhD. & Sandra Galeotti, MS

Introduo O rpido acmulo de novos conhecimentos no campo da Gentica e a crescente nfase nos aspectos moleculares envolvidos na etiologia e etologia de diversas doenas, assim como no desenvolvimento de novas abordagens teraputicas e diagnsticas, exige que o mdico e o estudante de Medicina atualizem-se rapidamente, para acompanhar os desenvolvimentos da Medicina do sculo XXI. Contribuir para que isso acontea, nosso objetivo. Independente da especialidade de atuao ou interesse do leitor, certos conhecimentos e conceitos so indispensveis compreenso da medicina contempornea. Esta primeira monografia abordar, portanto, os conceitos gerais da Gentica Molecular, com o objetivo de facilitar a leitura das monografias que se seguem. A gentica mendeliana ocupou-se do estudo de caractersticas herdadas e do comportamento de transmisso das mesmas, determinando os conceitos de traos dominantes e recessivos. Mas somente no incio do sculo XX a Gentica Mendeliana foi redescoberta, estabelecendo-se assim a idia de genes como unidades de herana. A seguir, os vrios anos de pesquisa da molcula de DNA realizados por Rosalind E. Franklin, no Kings College, possibilitou a Watson e Crick, auxiliados por Jerry Donahue, o desenvolvimento do esboo estrutural, em 1953, de duplo filamento da molcula de DNA, dispostos em forma helicoidal ou dupla hlice. A partir de ento, o gene passou a ser visto como um stio codi-

ficante da molcula de DNA, responsvel pela sntese de uma nica protena, dando origem ao postulado um gene, uma enzima. Dessa forma, os genes passaram a ser considerados unidades inviolveis de processamento de informao gentica exceto pelos casos de mutaes ocasionais. Acreditava-se tambm haver uma quase completa incompatibilidade entre os genomas de diferentes espcies. No entanto, o crescente nmero de descobertas da Biologia Molecular, apoiada por novas tcnicas e novos recursos tecnolgicos, gradualmente desafiou esse modelo, atravs de novas evidncias que no se enquadravam no postulado vigente: o genoma parecia cada vez menos estvel e menos inviolvel. A descoberta dos transposons, que promovem a recombinao gnica, por Barbara McClintock, representou um dos principais desafios idia de gene estvel. Em 1988, Elizabeth Blackburn e Carol Greider descobriram a enzima telomerase, ao mesmo tempo em que outros pesquisadores constataram a impossibilidade de se estabelecer limites definidos para os stios onde um gene termina, devido s bordas sobrepostas de muitos genes (sliding edges), aumentando o desafio validade do postulado gentico clssico. Os ntrons, segmentos aparentemente no codificantes do DNA, que se acreditava no possurem nenhuma funo fisiolgica importante, em contraposio aos xons (segmentos codificantes), tambm desafiaram o modelo vigente, revelando-se como agentes controladores do splicing de xons no pr-RNA mensageiro e, possivelmente, servindo como stio de amortizao mutacional. Curiosamente e excesso da regra, um stio de transcrio ativa, identificado no homem e no camundongo como U22, revelou-se como um gene pelo avesso, pois demonstra

inatividade traducional de seus xons no RNA maduro, enquanto seus ntrons traduzem o transcrito snoRNA, constituinte do RNA de nuclolos. No caso do U22, portanto, os xons so inativos e os ntrons proces-sados durante o splicing so codificantes ativos O postulado um gene, uma enzima, acabou por perder sentido, frente descoberta do processo de splicing ou arranjo alternativo, que permite a sntese de mais de uma verso protica (isoformas de uma mesma protena), com funes s vezes complementares e s vezes antagnicas s demais isoformas. A grande varincia na expresso e intensidade fenotpica da doena em diferentes portadores de uma mesma sndrome monognica, indica o provvel papel da interao gene - meio ambiente, assim como a participao de outros genes ou de diferenas polimrficas. Estes poucos exemplos podem dar uma idia das diferenas marcantes entre a viso da Gentica Mendeliana Clssica e da Gentica Molecular. O gene molecular melhor descrito como um stio ou locus transcricional ativo - que atua por meio da transcrio de produtos sob a forma de RNA que podem ser traduzidos em protenas ou no. Assim como o conceito da Fsica Clssica de tempo e espao foi mudado pela introduo da inseparabilidade do continuum tempoespacial da Teoria da Relatividade e pelas descobertas da Fsica Quntica, a noo de estrutura e funo, uma vez vistas na Biologia como entidades separadas, tornaram-se praticamente sinnimos na viso da Biologia Molecular, podendo ser expressas como uma unidade estruturafuno. A noo de que cada protena ou enzima possua uma funo especfica nica, foi tambm transformada pela descoberta de um amplo pleiotropismo e

pela redundncia funcional de diversas enzimas. Em outras palavras, alm de uma certa protena estar envolvida em diversas funes diferentes (pleiotropismo), um grande nmero de protenas pode tambm executar uma mesma funo (redundncia). Descobertas recentes modificaram tambm a viso que tnhamos das protenas, atravs da constatao da habilidade de certas protenas no enzimticas em reconhecer stios especficos no DNA e/ou em outras protenas. A identificao da estrutura modular das protenas, com cada mdulo constituindo um domnio diferente e com funes especficas, facilitou a compreenso da funo dos receptores transmembrana, bem como de protenas citoplasmticas estratgicamente localizadas em regies especficas do citosol. O citoplasma celular, uma vez j considerado um saco amorfo de enzimas, revelou-se ao final do sculo XX um microambiente altamente estruturado de organelas e vias de sinalizao, conduzindo sinais que viajam em direo ao ncleo, atravs da mediao de diversas protenas amplificadoras de sinal. Uma vez pincelado esse panorama, vamos passar a uma reviso dos conceitos hoje conhecidos atravs da Gentica e Biologia Moleculares, sob o enfoque de suas implicaes para o clnico na Medicina do Sculo XXI. Genes - Transcrio e Traduo de Produtos Gnicos A unidade bsica da molcula de DNA so os nucleotdeos, constitudos por uma base nitrogenada, um acar (ose) e um grupo fosfato. As bases nitrogenadas incluem duas purinas guanina e adenina (G e A) e duas pirimidinas timina e citosina (T e C) -

que formam pares complementares A-T e C-G. Na molcula de RNA, a base timina substituda por outra base nitrogenada, a uracila (U). Os dois filamentos da molcula de DNA so pareados de forma complementar atravs de pares de ncleotdeos formados entre os dois filamentos e ligados por pontes de hidrognio. Duas pontes de hidrognio ligam os pares adenina-timina (A-T) e trs pontes de hidrognio ligam os pares citosinaguanina (C-G). Os stios ou loci codificantes da molcula de DNA constituem os genes, que so formados por pares de bases (pb) ou seqncias nucleotdicas, em quantidades que variam de algumas centenas a milhares de bases (Kb). As regies codificantes de um gene so transcritas para o RNA mensageiro. Elas so formadas por seqncias de trs pares de base chamadas cdons, e constituem os xons; enquanto as regies que so excisadas durante a transcrio so chamadas ntrons. Os ntrons ainda so uma grande incgnita, podendo, em alguns casos, possuir funes reguladoras da transcrio ou, como no j citado gene pelo avesso U22, serem eles prprios as seqncias codificantes. Por outro lado, segmentos do DNA que funcionam como ntrons em um determinado gene podem agir como xons em outros genes adjacentes durante o splicing. Alguns autores consideram a possibilidade dos ntrons serem stios de amortizao mutacional, protegendo assim os genes da maioria das alteraes genticas. A identificao de um gene tarefa difcil e atualmente feita por algortimos de computadores. necessria a localizao de elementos caractersticos como um promotor, um cdon iniciador presente no quadro de leitura, com um cdon de trmino, assim como stios doadores e aceptores de splice. Promotores so regies do DNA

s quais a enzima polimerase se liga para iniciar a transcrio gnica. Quando a expresso de um gene ativada, seus xons so transcritos para um molde (template) de pr-RNA e este processo - conhecido como splicing (do Ingls, to splice = unir pontas soltas) - responsvel pela eliminao dos ntrons. No RNAm (RNA mensageiro) ocorre a substituio das timinas por uracilas (Figura 1). Este processo acontece no ncleo celular, sendo a seguir o RNAm transportado para o citoplasma, onde os ribossomas processam a traduo do produto gnico em uma protena. Cada cdon traduzido como um aminocido especfico que far parte da cadeia polipeptdica que est sendo polimerizada. Muitas protenas passam por um processamento ps-traduo, com o acrscimo de outros grupos molcula, assim como cortes na sequncia de aminocidos, de forma a promover sua conformao final e funcional. Em muitos casos, a forma final da protena apresenta propriedades fsicoqumicas bem diferentes do produto inicialmente traduzido. A transcrio gnica realizada no sentido 5 ! 3 de cada filamento de DNA, os quais esto pareados de forma antiparalela; i.e., um filamento 5 ! 3 est pareado a um filamento 3 ! 5.Figura 1. Transcrio Acontece dentro do ncleo celularDNA 5 AGG TCC TAG TAA ...3 (sentido da transcrio) " Pr-RNA 3 TCC AGG ATC ATT 5 (transcrito de xons na cadeia molde) " RNAm 5 AGG UCC UAG UAA 3 (seqncia de cdons prontos para traduo)

As isoformas das protenas so geralmente resultantes do splicing alternativo que ocorre durante a transcrio, mas tambm podem ser fruto de modificaes ps-traduo. No splicing alternativo, um evento at hoje observado

apenas em clulas eucaritas, uma sequncia diferente de cdons formada no RNAm, determinando a traduo de uma cadeia polipeptdica alternativa. A traduo de protenas realizada no citoplasma pelos ribossomas, que so pequenas organelas concentradas no retculo endoplasmtico rugoso - ou sob forma de polissomas no citoplasma das clulas eucaritas. Ribossoma

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