Bases da Regulação Gênica: Impacto no Universo das Ciências Biológicas

Introdução Geral

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Os organismos são formados por células. Estas são suas unidades estruturais e fisiológicas, significando que, no seu interior, processam-se os fenômenos básicos que mantêm os seres vivos. A estrutura da célula permite diferenciar os seres vivos em dois grupos de complexidade morfofisiológica bastante diferenciada: os procariotos (ou procariontes) e os eucariotos (ou eucariontes). O grupo dos eucariotos, o mais complexo e no qual o ser humano se insere, será objeto do enfoque principal nos textos que compõem o presente trabalho.

Os eucariotos são organismos cujas células apresentam, no seu interior, uma região denominada núcleo. Este é envolto por uma membrana que o separa do conteúdo celular restante, denominado citoplasma. Nesse núcleo permanece guardada, como joia valiosa em um cofre, a substância mais incrível que nos é dada a conhecer, o Ácido Desoxirribonucleico (abreviadamente DNA, em inglês, ou ADN em português). Ele é, simplesmente, o elemento básico responsável pela existência, continuidade e variabilidade da vida na face da terra. Não que ele possa colocar isto em prática sozinho. É necessária a atuação de um aparelhamento complexo, desenvolvido para manipulá-lo e regular seu funcionamento, mas, fundamentalmente, tudo ocorre na dependência de suas determinações.

A base de atuação do DNA está em sua estrutura em forma de código. Nesse código, a que se chama código genético, residem as instruções que se concretizarão nos aspectos morfológicos e fisiológicos próprios de cada organismo. Durante todo o tempo, o DNA permanece no núcleo da célula, mas delega a elementos intermediários, a tarefa de viabilizar suas instruções fora desse local. Dessa intermediação resulta, no final, a tradução de seus códigos que são convertidos em proteínas com funções específicas, essenciais aos seres vivos.

A proteína é, em última análise, quem executa as ordens contidas no código do DNA. Ela entra na composição de todas ou quase todas as estruturas celulares e, na forma de enzimas, catalisa a infinidade de reações químicas que nelas ocorrem. O start das funções do DNA, que ocorrem no núcleo da célula, bem como seu desenrolar até a produção da proteína funcional, no citoplasma, e mesmo depois, no local onde será utilizada, dependem da atuação de mecanismos denominados mecanismos de regulação da expressão gênica ou mecanismos de regulação gênica (MRGs).

Os MRGs não só atuam para viabilizar a expressão do código genético que se traduz na produção das proteínas, mas também exercem, ao longo de todo esse trajeto, uma função de vigilância em relação a tudo o que nele ocorre. Essa vigilância mobiliza processos que detectam erros ou desvios da expressão do código genético e buscam corrigi-los, de modo a impedir que produtos finais inadequados, isto é, proteínas anormais, causem anomalias aos seus portadores. Não só a qualidade, mas também a quantidade da proteína a ser produzida deve ser controlada para que esteja disponível em nível adequado, nos diferentes momentos da vida celular.

Saber que os MRGs existem e quais são seus efeitos já é causa de admiração, mas saber como se desenrolam suas atividades é ainda mais emocionante. É para conhecer um pouco desse universo fantástico que eu convido os interessados a realizar comigo a pequena incursão contida nestes textos. Neles, estão reportadas diversas vias de atuação dos MRGs. No seu conjunto, são mecanismos que manipulam o material genético de modo a prover as necessidades e encarar os desafios que as células enfrentam, no dia a dia, tornando sua estrutura eficiente, econômica e adequada à preservação da vida. Ao penetrar nesse minimundo, vamos nos deparar com uma multiplicidade de processos inimagináveis que se mostram muitas vezes simples na ideia, mas complexos na execução, desenvolvidos para realizar funções específicas ou para o enfrentamento de problemas que nele podem ocorrer.

Vejo o estudo dos MRGs como uma espécie de aventura que vai desvendando processos e mostrando soluções inesperadas que ocorrem no universo microscópico da célula. Cada uma de nossas células (e das células dos demais organismos) é um laboratório de atividade intensa e contínua. São tantos os deslocamentos de moléculas e as reações químicas que ocorrem, simultaneamente, no seu interior, e a uma velocidade incrível, que é de admirar que seja relativamente baixa, a frequência dos acidentes graves, observados no desenvolvimento dos organismos ou no dia a dia da atividade celular. É nesse ambiente vibrante e veloz que os MRGs exercem suas funções e são eles, em grande parte, os responsáveis por essa segurança das funções celulares.

Conhecer pelo menos as bases da atuação dos MRGs é, hoje, de grande interesse para quem atua em profissões da área biológica e, em alguns casos, até fora dela. Isto porque, além de sua importância intrínseca, eles estão contribuindo de forma crescente para usos muito importantes, em diversas áreas do conhecimento. É no nível da regulação gênica que a área de saúde vem buscando conhecer a origem de diversas doenças humanas e sua cura, que a agronomia vem resolvendo problemas de seleção e produção de alimentos e a nanotecnologia vem se beneficiando com a construção de processos e equipamentos artificiais cuja aplicação é valiosa. Diante disso e do fato de eu ter ministrado disciplina sobre esse assunto, durante vários anos, em cursos de graduação e pós-graduação, na Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP), Campus de São José do Rio Preto, surgiu meu desejo de redigir e publicar estes textos, visando a fornecer, aos eventualmente interessados, de forma reunida e resumida e, dentro do possível, simplificada, informações que facilitem tomar contato com um conjunto dos MRGs básicos.

Como eu disse anteriormente, só o conhecimento da existência dos MRGs e suas atividades já é motivo de admiração, porém, saber como se desenrolam essas atividades é algo ainda mais surpreendente. Por isso, ao apresentar os dados referentes a cada mecanismo, muitas vezes me alonguei em detalhes que talvez não sejam de interesse dos leitores, em um ou outro capítulo. Deixo, a eles, a decisão de excluir ou não, esses trechos, de sua leitura.

Os leitores verão, ainda, que utilizo, para muitos processos, a nomenclatura em inglês ou uma mistura dos nomes em inglês e português porque, isto, ocorre no dia a dia dos que atuam na área. A bibliografia apresentada no final dos capítulos pode levar a outras publicações, muitas das quais disponíveis na internet e, assim, é possível aprofundar o conhecimento dos diferentes aspectos, se assim o leitor desejar. A grande predominância ou mesmo totalidade de artigos em inglês constantes da bibliografia decorre de que essa é a língua em que, atualmente, são publicados os resultados de pesquisas em todo o mundo, visando à sua mais ampla divulgação. As ilustrações utilizadas são esquemas simples, sem pretensões artísticas, apenas com objetivo de agilizar o entendimento de estruturas ou mecanismos.

A descoberta dos mecanismos de regulação gênica pode ser considerada recente (a partir da segunda metade do século XX), porém o conhecimento da maioria de seus processos e uma melhor visão de outros é ainda mais recente (a partir do final do século XX e início do atual). Por isso, há ainda, na área, muita carência de conhecimentos. Por exemplo, o funcionamento de muitos processos ainda é apresentado sob a forma de modelo a ser comprovado, o que permite prever, com base nessa e em muitas outras dificuldades, que seu conhecimento, mais aprofundado, ainda poderá demandar um tempo muito maior de pesquisas. É, porém, pensamento geral dos profissionais da área que, como tem ocorrido até agora, frequentemente, os MRGs continuarão a nos presentear com informações capazes de impactar o mundo da ciência.

Na Figura 1, o esquema simplificado de uma célula mostra as organelas citoplasmáticas que desempenham funções celulares essenciais e têm exigências específicas para isto, todas de alguma forma ou de várias formas, dependentes da atuação dos MRGs. Ele, sua majestade o DNA, permanece no núcleo com seu código do qual tudo depende, a partir do qual a vida se desenrola.

Figura 1. Esquema simplificado de uma célula, apresentando suas principais estruturas, as quais respondem pela maior parte das atividades básicas que nela ocorrem. No núcleo fica o DNA que serve de molde para a produção de RNAs. No citoplasma assinalamos: (1). O retículo endoplasmático, nas suas duas formas: liso (sem ribossomos na superfície) e rugoso (com ribossomos na superfície), sendo este último um dos locais onde ocorre a produção de proteínas (2) Os ribossomos, envolvidos na produção de proteínas; (3). As mitocôndrias, responsáveis pela produção de energia; (4). Os lisossomos, ricos em enzimas, que são locais de degradação de substâncias e estruturas para diferentes fins; (5). Vesículas (numerosas), relacionadas com diferentes funções, uma das quais é a liberação de substâncias (vesículas secretoras); (6). Complexo de Golgi, que é responsável por armazenar, transportar e exportar substâncias, como as contidas nas vesículas secretoras. A célula é envolta, externamente, pela membrana citoplasmática, através da qual ocorrem trocas com o meio externo.

¹ NOTA DA AUTORA: todos os esquemas foram elaborados pela autora. Os que foram inspirados em um trabalho específico, bem como a origem das fotos utilizadas, estão mencionados na legenda. Os demais esquemas foram baseados nos conhecimentos gerais, constantes da literatura

Capítulo 1

Pequeno histórico da descoberta dos MRGs (Desvendando um universo surpreendente)

1.1 Introdução

O avanço do conhecimento científico, em qualquer área, é geralmente resultante da soma de informações obtidas por vários pesquisadores, no decorrer do tempo, juntamente com o desenvolvimento de novas técnicas e de equipamentos mais eficientes. A descoberta da existência dos mecanismos de regulação gênica (MRGs) e seu funcionamento que vem sendo desvendado, aos poucos, não têm fugido a essa regra.

1.2 Um problema: em busca da solução

O que já se sabia, acumuladamente sobre Biologia, em meados do século XX, permitia que os pesquisadores se preocupassem com uma questão importante, cujas premissas principais eram as seguintes: (1) todas as células somáticas de um organismo pluricelular, isto é, todas as células de seu corpo, são derivadas, por divisões consecutivas de uma célula inicial que é a célula-ovo ou zigoto, resultante da união do óvulo com o espermatozoide; (2) esse processo de divisão, denominado mitose, gera sempre duas células iguais entre si e iguais à que lhes deu origem. Essas duas afirmativas levavam à conclusão de que todas as células do corpo de um organismo pluricelular têm o mesmo conteúdo genético.

Com base nessa conclusão, a questão que se colocava era a seguinte: se as células de um organismo são todas iguais, geneticamente, como explicar sua heterogeneidade morfológica e funcional? Como explicar a existência de células musculares com sua capacidade de contração, células nervosas com sua capacidade de transmitir impulsos, células glandulares sintetizando e exportando hormônios e assim por diante?

1.3 O Operon Lac dos procariotos acendeu uma luz

A ideia que se materializava em relação à questão exposta era a de que, nas células de diferentes órgãos e tecidos, funcionariam genes diferentes, isto é, embora todas tivessem os mesmos genes, em cada tecido funcionariam apenas os genes que estivessem ligados às suas necessidades específicas. O reforço para essa ideia vinha de várias fontes, como os estudos realizados com a bactéria Escherichia coli, que é um organismo unicelular (formado por uma só célula) e procarioto (a célula não contém um núcleo que isole, do citoplasma, o material genético; reiteramos que a presença do núcleo é o que caracteriza as células dos eucariotos). A E. coli, além de ser unicelular, tem um único cromossomo, que é circular e no qual há um conjunto de genes denominado Operon Lac. O termo operon é utilizado para designar um grupo de genes que atuam em um mesmo processo biológico, são ativados em conjunto e trabalham de forma integrada. O Operon Lac é formado por três genes produtores de enzimas que funcionam no metabolismo da lactose, utilizada como fonte de energia por essa e outras bactérias.

Há sistemas biológicos, isto é, processos, em que as enzimas são produzidas continuamente e, neste caso, elas são denominadas enzimas constitutivas. No sistema Operon Lac, os pesquisadores detectaram a existência de enzimas induzíveis, isto é, enzimas que são produzidas apenas quando seu substrato, no caso a lactose, está presente no meio de cultura e as células estão precisando de energia.

Os três genes que compõem o Operon Lac são denominados lacZ, lacY e lacA. Eles são ativados, conjuntamente, para produzir três enzimas que são designadas pelos mesmos nomes dos genes: lacZ, lacY e lacA. As três participam do metabolismo da lactose: lacZ é a beta-galactosidase, que quebra a lactose em açucares simples (monossacarídeos), lacY é a permease, que produz um transportador de membrana que ajuda a lactose a entrar na célula para ser desdobrada, e lac A é a transacetilase, que também está ligada ao processo.

A Figura 1.1 mostra, em um esquema básico, como o sistema Operon Lac funciona. Nele atuam, além dos três genes Z, Y, A, os seguintes elementos: outro gene denominado regulador, mais duas outras regiões do cromossomo, denominadas promotor e operador e a enzima RNA polimerase. O operador é a região que coordena a atuação dos três genes. Quando no meio de cultura da bactéria não há lactose, o sistema permanece desligado, isto é, as três enzimas determinadas pelos genes Z, Y, A não são produzidas. Isto acontece porque, na ausência da lactose, o gene regulador produz uma proteína chamada repressor que se liga ao operador, dessa forma bloqueando a passagem da enzima RNA polimerase para percorrer a extensão dos genes. Essa enzima deve ligar-se ao promotor e atravessar a extensão do operador para ler o código dos genes Z, Y, A e produzir um RNA mensageiro, intermediário, que depois é traduzido, produzindo as três proteínas correspondentes aos genes. Nas condições bloqueadoras, as enzimas não são produzidas.

Figura 1.1 Esquema de um trecho do cromossomo da bactéria Escherichia coli, mostrando os elementos que compõem o Operon lac, que são: três genes (Z, Y, A) produtores das enzimas que atuam no metabolismo da lactose, a região promotora ou promotor, o operador e o gene regulador. Na ausência de lactose no meio de cultura (situação 1), o gene regulador produz a proteína repressora (PR) que se liga ao operador. Dessa forma, a RNA polimerase, que está ligada ao promotor (representada pela estrela), fica impedida de chegar aos genes e realizar sua leitura para produção das enzimas Z, Y, A. Quando a lactose (representada pelos círculos) está presente no meio (situação 2), a alolactose, que está também presente, penetra na bactéria e se liga à proteína repressora, inativando-a e deixando o acesso livre para a RNA polimerase passar e produzir as três enzimas. Nesse caso, as três enzimas têm sua produção induzida pela presença da lactose, que é desdobrada por elas no interior da célula, liberando a energia necessária à E. coli.

Na verdade, o sistema é um pouco mais complexo do que o descrito aqui, mas essas informações são suficientes para entendimento desta via de controle que gera economia celular, pois a produção dessas enzimas só ocorre se houver o açúcar para ser metabolizado.

Os achados sobre o mecanismo do Operon Lac deram a François Jacob e Jacques Monod o prêmio Nobel de Medicina, em 1965. O Operon Lac é considerado o primeiro caso descrito de regulação gênica, tendo lançado as bases para o desenvolvimento da biologia molecular moderna.

1.4 Os eucariotos também contribuíram: os pufes em insetos

Naquela época (meados do século passado), uma abordagem do tipo feito para estudo da E. coli, um procarioto, não seria exequível nos eucariotos. As técnicas disponíveis eram ainda incipientes para a alta complexidade genética desses organismos quando comparados às bactérias, que são portadoras de um só cromossomo, formado de uma única molécula de DNA. Porém, já havia, também nos eucariotos, fortes indicações quanto à existência de mecanismos para ligar e desligar genes, atendendo às necessidades de suas células. Um exemplo dessas indicações havia sido encontrado em estudos dos pufes em cromossomos politênicos de moscas pertencentes a dois gêneros: Drosophila e Rhynchosciara. Os cromossomos politênicos são cromossomos muito maiores do que os mitóticos devido à sua formação: um feixe de centenas de filamentos (cromátides irmãs) que permanecem unidos lateralmente, o que justifica chamá-los, também, de cromossomos gigantes. São encontrados, principalmente, nas glândulas salivares, no aparelho digestivo e no tecido gorduroso das larvas das moscas mencionadas. Logo no início de sua descoberta, verificou-se que esses cromossomos, quando observados ao microscópio ótico, mostravam, ao longo de seu comprimento, faixas horizontais que foram denominadas bandas e onde se supôs que os genes se localizariam. Verificou-se ainda que algumas das bandas apresentavam, às vezes, um aumento, tanto em diâmetro como em comprimento, e apresentavam um aspecto difuso que poderia ser decorrente de um afrouxamento dos filamentos naquelas faixas. Devido à sua aparência, essas faixas foram denominadas pufes.

Quando os cromossomos gigantes dos diferentes órgãos (por exemplo, glândulas salivares e tecido gorduroso) de uma espécie dessas moscas eram analisados ao microscópio ótico, verificava-se, em larvas de mesma idade, que o padrão de localização dos pufes nos cromossomos diferia entre os órgãos, mas se mantinha constante para o mesmo órgão, em todas as larvas de mesma idade. Entre larvas de idades diferentes, os padrões de um mesmo órgão diferiam, mas continuavam mostrando um padrão fixo para cada idade. Isto levava a suspeitar de que havia uma forma de regulação da atividade dos genes das larvas em função da fase do desenvolvimento.

O uso de uma técnica especial que envolve a aplicação de um marcador radioativo denominado uridina tritiada reforçou a ideia já existente. Esse marcador cora o RNA, que aparece na lâmina histológica sob a forma de granulação negra. As pesquisas mostravam granulação mais intensa nas regiões de pufes, especialmente em pufes maiores.

No geral, a explicação óbvia para essas observações, desde o início, parecia ser que, em cada espécie desses insetos, existe um mecanismo de controle com a função de ligar e desligar os genes, seguindo um padrão característico para cada órgão, variável ao longo do tempo. Aos poucos, essas suposições foram confirmadas. Nos cromossomos politênicos, localizados no núcleo das células, as bandas são o local dos genes, os pufes são decorrentes da ativação dos genes das bandas para produzir RNA que depois servirá de molde para a síntese de proteínas, no citoplasma. A variação da localização das bandas ativadas, no tempo, significa ação gênica controlada por MRGs, em obediência ao programa de desenvolvimento do organismo: diferentes proteínas são necessárias ao longo do processo.

A Figura 1.2. mostra um mesmo segmento de cromossomo politênico de larvas de Rhynchosciara angelae, em dois períodos do desenvolvimento. As larvas que apresentam a banda A eram seis dias mais novas do que as que apresentam o pufe B, na mesma banda de A. O pufe B’, além de ser muito maior, do que A’, quando se usou a uridina tritiada para marcar o RNA, ela o fez bem mais intensamente em B’ do que em A’. No presente caso, como a espécie é a mesma e o órgão também, diferindo apenas na idade, temos um reforço da indicação de que, na fase de desenvolvimento da larva mais velha está ocorrendo maior atividade de síntese de RNA, por necessidade do organismo.

Figura 1.2 Estas fotos mostram um trecho de um cromossomo politênico de larvas de Rhynchosciara angelae, onde se vê a mesma banda (faixa transversal), analisada em larvas de diferentes idades. As que têm a banda A são seis dias mais novas que as que apresentam a banda B. Nesta banda, observa-se nitidamente um pufe, que é tido como local de síntese intensa. O uso de técnica com incorporação de uridina tritiada confirma que a atividade de síntese é bem maior no pufe B, da larva mais velha. A diferença sintética desse pufe, em larvas com idades diferentes, é