Genes e transcrição

-> O DNA dá origem ao RNA por meio de um processo chamado transcrição.

-> O RNA, por sua vez, atua nos ribossomos, onde ocorre a produção de proteínas.

-> Assim, o DNA exerce dois papéis fundamentais:

1 - Ao controlar a produção de RNA, ele também regula a síntese de proteínas.

2 - Como as proteínas incluem as enzimas responsáveis por comandar todas as reações do metabolismo celular, o DNA, ao direcionar a produção dessas enzimas, acaba controlando o próprio metabolismo da célula.

-> Em resumo, o DNA é responsável por dirigir e coordenar todas as funções essenciais da célula, desde a reprodução até o metabolismo.

Descoberta e conceito de gene

-> As bases da hereditariedade foram estabelecidas em 1866 pelo monge e cientista austríaco Gregor Mendel.

-> Em seus estudos com plantas de ervilha, Mendel concluiu que as características herdadas eram controladas por unidades que se separavam durante a reprodução.

-> Mais tarde essas unidades foram chamadas de "fatores mendelianos".

-> O termo gene, porém, só seria introduzido posteriormente, em 1909, pelo cientista dinamarquês Wilhelm Ludwig Johannsen.

-> Inicialmente, esses fatores mendelianos eram apenas conceitos teóricos.

-> Isso porque, na época, não existiam conhecimentos em citologia ou bioquímica que pudessem fornecer uma base física concreta para as ideias de Mendel.

-> Com o avanço da biologia, diversas descobertas ampliaram o entendimento sobre o que seriam os genes.

-> Em 1871, o médico suíço Friedrich Miescher conseguiu isolar do núcleo celular uma substância que chamou de nucleína, mais tarde identificada como DNA.

-> Já em 1882, o biólogo alemão Walther Flemming observou no núcleo celular estruturas em forma de filamentos, chamadas cromossomos.

-> Um ano depois, em 1883, o zoólogo belga Edouard von Beneden descreveu o comportamento desses cromossomos durante a meiose, percebendo que se separavam de forma organizada para formar os gametas.

-> Em 1900, três cientistas — Hugo de Vries (Holanda), Erich von Tschermak (Áustria) e Carl Correns (Alemanha) —, trabalhando de forma independente, redescobriram os estudos de Mendel.

-> Isso impulsionou uma nova fase de investigações voltadas à localização e à composição química dos genes.

-> Por volta de 1910, o biólogo americano Thomas Morgan propôs a teoria cromossômica da herança.

-> Ele percebeu que o comportamento dos genes nas leis de Mendel era equivalente ao dos cromossomos durante a meiose.

-> Isso o levou a sugerir que os genes estariam localizados nos cromossomos.

-> Num primeiro momento, a maioria dos cientistas acreditava que os genes eram formados por proteínas.

-> Isso porque as proteínas são compostas por uma grande variedade de aminoácidos (20 tipos), enquanto o DNA possui apenas quatro bases nitrogenadas.

-> No entanto, em 1928, o microbiologista britânico Frederick Griffith, ao estudar bactérias causadoras da pneumonia, identificou um “princípio transformador” que alterava características hereditárias das bactérias.

-> Mais tarde, descobriu-se que esse princípio era o DNA, o que levou a comunidade científica a reconhecê-lo como o verdadeiro material genético.

-> Ou seja, os genes eram formados de DNA.

-> Mesmo antes da confirmação da composição química dos genes, já existiam teorias sobre sua função.

-> Em 1908, o médico britânico Sir Archibald Garrod propôs que certas doenças humanas eram causadas por falhas hereditárias no metabolismo, devido à ausência de enzimas específicas.

-> Ele observou que essas falhas seguiam padrões de herança mendeliana e propôs que os genes determinavam a produção dessas enzimas.

-> Na década de 1940, os geneticistas americanos George Beadle e Edward Tatum, em experimentos com fungos do gênero Neurospora, confirmaram essa teoria.

-> Ao expor os fungos à radiação para induzir mutações, perceberam que cada mutação impedia a produção de uma enzima específica.

-> Isso acabou reforçando a ideia de que os genes controlam a síntese de enzimas.

-> A concepção clássica de gene afirma que ele é um segmento de DNA contendo a informação necessária para a síntese de um polipeptídeo ou de uma molécula de RNA.

-> Assim, há genes que codificam o RNA mensageiro (que é traduzido em proteínas), bem como o RNA ribossômico e o RNA transportador.

-> O RNA ribossômico e o RNA transportador, embora não sejam traduzidos em proteínas, desempenham papéis essenciais na expressão genética.

Unidade de transcrição gênica e o processo de transcrição

-> O avanço no entendimento dos ácidos nucleicos levou à formulação do conceito de unidade de transcrição gênica.

-> A transcrição gênica pode ser definida como um trecho contínuo do DNA que é copiado para formar uma molécula de RNA.

-> Esse trecho contém uma sequência específica no início, chamada de região promotora (ou promotor).

-> A região promotora funciona como o local onde a enzima RNA polimerase se liga para iniciar a transcrição.

-> No final da unidade de transcrição, há outra sequência conhecida como sequência de término da transcrição.

-> Essa sequência é responsável por indicar à RNA polimerase o ponto em que ela deve se desprender do DNA, finalizando o processo.

-> A transcrição tem início quando a RNA polimerase se fixa ao promotor do DNA.

-> A partir desse ponto, a enzima começa a se mover ao longo da molécula, promovendo a separação das duas fitas de DNA por meio da quebra das ligações de hidrogênio entre os nucleotídeos complementares.

-> Dessa forma, abre, assim, a dupla hélice na região da unidade de transcrição.

-> Com essa abertura, ribonucleotídeos (os blocos do RNA) começam a se parear, por ligações de hidrogênio, à fita de DNA que contém o gene.

-> Vale destacar que, embora o DNA seja formado por duas fitas, o gene está localizado apenas em uma delas.

-> A fita oposta, por não conter o gene, não participa da transcrição e tem como principal função manter a estrutura da dupla hélice, contribuindo para a estabilidade da molécula.

-> A fita de DNA que será transcrita é aquela à qual a RNA polimerase se liga por meio do promotor.

-> O promotor é uma estrutura que está ausente na fita complementar, que, por isso, não é transcrita.

-> À medida que os ribonucleotídeos se alinham à fita molde do DNA, forma-se temporariamente uma estrutura híbrida.

-> Nessa estrutura híbrida o RNA nascente está unido ao DNA por ligações de hidrogênio.

-> Quando a RNA polimerase alcança a sequência de término, ela se desprende do DNA, encerrando a transcrição.

-> O RNA recém-sintetizado é liberado, e as duas fitas de DNA se recombinam, recuperando a estrutura de dupla hélice.

-> Graças à precisão da RNA polimerase, a sequência de RNA gerada é rigorosamente complementar à fita de DNA utilizada como molde.

DNA não codificante

-> Nos organismos eucariontes, entre duas unidades de transcrição consecutivas, há segmentos de DNA que não participam da codificação de proteínas.

-> Ou seja, são compostos por sequências de bases nitrogenadas que não são traduzidas.

-> Devido à aparente ausência de função, essas regiões foram inicialmente chamadas de "DNA lixo".

-> No entanto, esse termo foi sendo abandonado com o tempo, à medida que estudos revelaram possíveis funções para esses trechos.

-> Atualmente, é mais comum referir-se a essas áreas como regiões hipervariáveis.

-> Isso porque uma vez que a sequência de bases nitrogenadas nelas varia consideravelmente entre indivíduos distintos.

-> São idênticas apenas em clones genéticos, como gêmeos idênticos.

-> Essa variabilidade torna essas regiões úteis em testes de DNA, pois permitem distinguir geneticamente diferentes indivíduos por meio de suas sequências únicas.

-> Os genes, por sua vez, são responsáveis por determinar a sequência de aminoácidos de uma proteína.

-> Isso significa que proteínas idênticas em membros de uma mesma espécie são produzidas por genes que possuem exatamente a mesma sequência de nucleotídeos.

-> Por exemplo, o gene humano que codifica a insulina é igual em todos os indivíduos.

-> Caso esse gene sofra uma mutação, ele poderá gerar uma molécula de insulina com um ou mais aminoácidos alterados, modificando sua estrutura primária.

-> Como os demais níveis de estrutura da proteína dependem da estrutura primária, a função da proteína pode ser comprometida, tornando-a ineficaz — o que pode, em casos extremos, levar à morte do organismo.

-> Por isso, os genes tendem a ser altamente conservados ao longo da evolução, mantendo-se praticamente idênticos mesmo entre indivíduos diferentes de uma mesma espécie.

-> Em contraste, as regiões hipervariáveis do DNA não codificam proteínas.

-> Assim, mutações nessas áreas não causam danos ao organismo, permitindo que essas regiões acumulem variações ao longo das gerações — o que explica seu alto grau de variabilidade.

-> Acredita-se que essas regiões hipervariáveis tenham surgido por dois caminhos principais.

-> Uma parte pode ter origem em material genético de vírus que, ao longo da evolução, se incorporaram ao DNA das células hospedeiras.

-> Esse material viral, após várias gerações e acúmulo de mutações, perdeu suas características originais.

-> Outra parte dessas regiões pode ser composta por genes antigos que perderam sua função — os chamados pseudogenes ou genes fósseis.

-> Esses genes eram ativos em espécies ancestrais, mas deixaram de funcionar nas atuais.

-> Os chimpanzés são nossa espécie mais próxima geneticamente.

-> Estudos comparativos entre o genoma humano e o do chimpanzé mostram que genes humanos se assemelham a trechos de DNA não codificante nos chimpanzés, e vice-versa.

-> Isso acontece porque humanos e chimpanzés compartilham um ancestral comum.

-> Alguns dos genes desse ancestral evoluíram de forma diferente nas duas linhagens: permaneceram ativos em uma e tornaram-se DNA não codificante na outra.

-> Estima-se que cerca de 98,5% do DNA humano seja composto por regiões não codificantes.

-> Em outras palavras, apenas 1,5% do nosso material genético corresponde efetivamente a genes.

Íntrons e Éxons

-> Em 1978, o geneticista norte-americano Walter Gilbert propôs os termos “íntrons” para se referir às partes do DNA que não codificam proteínas.

-> Íntrons é um termo derivado do inglês intragenic region, que significa "região intragênica".

-> Também definiu “éxons” para indicar as porções do DNA que contêm as instruções codificadas para a produção de proteínas, ou seja, que são traduzidas em sequências de aminoácidos.

-> Éxons vem do inglês expressed region, ou "região expressa".

-> Por esse motivo, é comum dizer que os genes dos organismos eucariontes são "interrompidos", pois apresentam íntrons inseridos entre os éxons dentro da estrutura dos genes.

Splicing

-> Durante a transcrição de um gene eucariótico, a enzima RNA polimerase copia tanto os éxons quanto os íntrons.

-> Assim, gera uma molécula inicial chamada pré-RNA mensageiro (ou RNA heterogêneo, devido à presença de íntrons).

-> Caso esse pré-RNA fosse diretamente traduzido, a proteína resultante não teria função, pois os íntrons contêm sequências que não contribuem para a formação da proteína.

-> Por isso, é essencial que esses segmentos sejam retirados.

-> A retirada dos íntrons é feita por um processo chamado splicing, que acontece ainda no interior do núcleo celular.

-> Esse mecanismo pode ser comparado à edição de um texto ou vídeo, onde partes irrelevantes (os íntrons) são eliminadas e as partes úteis (os éxons) são unidas.

-> O resultado é uma nova molécula de RNA composta apenas por éxons, chamada RNA mensageiro (RNAm).

-> O splicing é conduzido por um complexo chamado spliceossomo, formado por proteínas e um tipo especial de RNA chamado snRNA (sigla em inglês para small nuclear RNA, ou RNA nuclear pequeno).

-> As partículas que compõem o spliceossomo reconhecem as extremidades dos íntrons e se ligam a esses pontos.

-> Em seguida, elas se agrupam, aproximando as pontas do íntron e cortando o pré-RNA nos locais certos, ligando imediatamente os éxons que estavam separados por aquele íntron.

-> Só depois dessa edição o RNA se torna funcional e pode ser traduzido.

-> Após o splicing, o RNAm sai do núcleo e vai até o citoplasma, onde se conecta aos ribossomos para iniciar a síntese de proteínas.

-> Na maioria dos genes, os íntrons representam mais da metade da sequência do gene e, portanto, do pré-RNA.

-> Em alguns casos, eles ocupam uma parte ainda maior.

-> Um exemplo clássico é o gene responsável pela produção da distrofina, proteína presente nos músculos.

-> Esse gene possui cerca de 2 milhões de nucleotídeos, e o pré-RNA mensageiro produzido a partir dele também tem esse tamanho.

-> Durante o splicing, 78 íntrons são removidos, eliminando mais de 1,9 milhão de nucleotídeos e deixando um RNAm final com apenas cerca de 14 mil nucleotídeos.

-> À primeira vista, pode parecer que produzir um pré-RNA tão grande só para, depois, retirar a maior parte dele é um desperdício de tempo e energia para a célula.

-> Então, por que os íntrons existem e por que o splicing é necessário?

-> Pesquisas recentes sugerem que esse sistema complexo pode oferecer vantagens importantes à célula — algo que será explorado mais adiante.

Splicing alternativo

-> A espécie humana possui entre 100 mil e 120 mil tipos diferentes de proteínas.

-> Segundo o modelo clássico da biologia molecular, baseado na Teoria “1 Gene, 1 Peptídeo”, seria necessário existir um número igual ou até maior de genes.

-> Isso porque, algumas proteínas, como a hemoglobina, são formadas por mais de uma cadeia polipeptídica codificada por genes distintos.

-> Assim, até o início dos anos 2000, acreditava-se que o genoma humano continha de 100 mil a 120 mil genes.

-> No entanto, em 2003, houve a conclusão do Projeto Genoma Humano.

-> O Projeto Genoma sequenciou todas as bases nitrogenadas do DNA humano, incluindo os 24 tipos de cromossomos (22 autossomos e os cromossomos sexuais X e Y).

-> Com o Projeto Genoma uma descoberta surpreendente foi feita: o número total de genes humanos é de aproximadamente 25 mil.

-> Esse dado contrariava a Teoria “1 Gene, 1 Peptídeo”, já que, com apenas 25 mil genes, não seria possível produzir as mais de 100 mil proteínas diferentes presentes no organismo humano.

-> Como, então, um número tão pequeno de genes poderia gerar tamanha diversidade proteica?

-> A resposta está em um mecanismo chamado splicing alternativo.

-> Cada gene é transcrito em uma molécula de pré-RNA mensageiro idêntica, mas as células podem processar esse RNA de maneiras distintas.

-> Durante o splicing, além da remoção dos íntrons, é possível que certos éxons também sejam eliminados, gerando diferentes versões de RNA mensageiro.

-> Dessa forma, a partir de um único gene, podem ser produzidas diversas proteínas, dependendo de como o RNA é processado.

-> Esse mecanismo explica não apenas a elevada quantidade de proteínas no organismo humano, mas também as diferenças de complexidade entre os seres vivos.

-> Por exemplo, o verme Caenorhabditis elegans, primeiro organismo pluricelular a ter seu genoma sequenciado, possui cerca de 21 mil genes — número próximo ao dos seres humanos.

-> No entanto, sua simplicidade estrutural contrasta fortemente com a complexidade do corpo humano.

-> Isso se deve, em grande parte, à maior capacidade das células humanas de realizarem splicing alternativo.

-> Estima-se que mais de 60% dos genes humanos participem desse processo, o que contribui para a grande diversidade de proteínas no nosso organismo.

-> Assim, em muitas espécies, um número relativamente pequeno de genes pode gerar um repertório proteico muito mais amplo, graças ao splicing alternativo.

-> Consequentemente, o grau de complexidade de um organismo não está diretamente relacionado ao número de genes.

-> Está na capacidade de utilizar esses genes de forma versátil na síntese de proteínas.

-> A descoberta do splicing alternativo também levou a uma revisão do conceito de gene.

-> A definição clássica, baseada na Teoria “1 Gene, 1 Peptídeo”, tornou-se obsoleta.

-> Atualmente, o conceito de gene está em constante reformulação.

-> No entanto, uma definição mais moderna o descreve como um segmento de DNA que pode ser transcrito em uma molécula de RNA — seja um pré-RNA mensageiro, um RNA ribossômico ou um RNA transportador.

Diferenças entre as unidades de transcrição gênica em eucariontes e procariontes

-> Nas células eucarióticas, as unidades responsáveis pela transcrição dos genes são separadas por segmentos de DNA que não possuem função codificadora, ou seja, não são convertidos em RNA nem em proteínas.

-> Cada uma dessas unidades transcreve apenas um único gene, originando uma única molécula de RNA.

-> Por isso, esse tipo de RNA é chamado de monocistrônico, pois carrega a informação de apenas um gene (ou cístron).

-> Dentro dos genes eucarióticos, existem regiões chamadas íntrons.

-> Os íntrons são partes do DNA transcritas no pré-RNA, mas que são removidas posteriormente durante o processo de splicing.

-> Os íntrons não estando presentes no RNA mensageiro final.

-> Já nas células procarióticas, como as bactérias, as unidades de transcrição são contínuas, sem a presença de regiões intermediárias de DNA não funcional — muitas vezes chamadas de “DNA lixo”.

-> Nessas células, cada unidade de transcrição pode conter vários genes organizados em sequência, e o RNA gerado inclui informações de todos esses genes.

-> Esse RNA é chamado de policistrônico e pode ser traduzido em vários peptídeos diferentes.

-> Em procariontes, mostrando genes dispostos de forma colinear que são transcritos em uma única molécula de RNA mensageiro policistrônico.

-> Esse RNA é então traduzido em três peptídeos diferentes.

-> Na transcrição gênica em eucariontes, onde apenas um gene é transcrito, originando um RNA mensageiro monocistrônico, inicialmente na forma de pré-RNA mensageiro.

-> Esse pré-RNA passa pelo processo de splicing, no qual os íntrons são removidos, gerando o RNA mensageiro maduro que será traduzido em um único peptídeo.

-> Vale destacar que, nos organismos procariontes, a sequência de aminoácidos de um peptídeo reflete diretamente a sequência de bases do trecho de DNA que foi transcrito para o RNA mensageiro.

-> Por esse motivo, afirma-se que, em bactérias, existe colinearidade entre os segmentos de DNA codificadores e as cadeias polipeptídicas resultantes.

Procariontes

-> Os genes estão organizados de forma contínua, lado a lado, sem regiões de DNA não codificante entre eles, formando estruturas chamadas operons.

-> Produzem RNA mensageiro policistrônico, o que significa que uma única molécula de RNAm contém a informação de vários genes, sendo capaz de codificar diversos peptídeos ao mesmo tempo.

-> Seus genes não possuem íntrons, portanto não há necessidade do processo de splicing.

Eucariontes

-> Os genes estão separados por segmentos de DNA não codificante, o que os torna isolados uns dos outros.

-> Produzem RNA mensageiro monocistrônico, ou seja, cada RNAm é resultado da transcrição de apenas um gene.

-> Seus genes contêm íntrons, que precisam ser removidos por meio do splicing para formar o RNA mensageiro funcional.

Saiba mais!

-> O termo operon é usado para definir o conjunto de genes que fazem parte de uma única unidade de transcrição nas células procarióticas e que são transcritos juntos em uma mesma molécula de RNA mensageiro do tipo policistrônico.

-> Esse conjunto inclui a região promotora, que é o local onde a enzima RNA polimerase se liga para iniciar a transcrição, e a sequência de término, onde essa enzima se desliga ao encerrar o processo.

-> Um dos exemplos mais clássicos de operon é o operon da lactose (lac operon), encontrado na bactéria Escherichia coli.

-> Nessa estrutura, a unidade de transcrição possui três genes que codificam enzimas essenciais para a digestão da lactose: a β-galactosidase, a galactosídeo-permease e a acetilase.

-> Esses três genes são transcritos juntos em uma única molécula de RNA mensageiro policistrônico.

-> Durante a tradução, os ribossomos atuam sobre esse RNA e produzem, ao mesmo tempo, os três peptídeos correspondentes a essas enzimas.