14/11/2008

The New York Times, 10 de novembro de 2008

Gene pode não ser a única molécula responsável pela transmissão de traços hereditários; biologia apresenta nova hipótese, diz jornal

Por Giovanny Gerolla

A edição de 10 de novembro do jornal The New York Times trouxe a reportagem "Now: The Rest of the Genome" (Agora, o resto do genoma), assinada por Carl Zimmer. O texto apresenta as dificuldades de cientistas em sustentar, diante das novas descobertas sobre o genoma e sua função para a hereditariedade, a definição clássica sobre o que é o gene — um trecho da seqüência de DNA que carrega informações necessárias à síntese de proteínas.

Alguns especialistas em biologia e genética escreveram ao editor de ciência do New York Times para manifestar-se contra a reportagem. Um deles foi Mark Ptashne, titular da Cadeira Ludwig de Biologia Molecular do Instituto Sloan-Kettering, em Nova Iorque. Segundo ele, o texto em questão e outro também publicado em 10 de novembro ("Scientists and Philosophers", ou Cientistas e filósofos) "ansiosamente inferem que a ciência dos genes e o regulamento destes são uma bagunça e requerem novas abordagens, definições e conceitos". Tal inferência, afirma o cientista, é "altamente enganosa". "De fato, um progresso fantástico foi feito, e continua a ser feito, no entendimento de como os genes são regulados, mas esses desenvolvimentos não são motivo para profundas mudanças em nosso pensamento", completou.

A reportagem conta que cientistas vão se reunir em março de 2009, no Santa Fe Institute, no Estado do Novo México, para discutir se o gene continua a ser uma entidade concreta, de espaço e posição definidos dentro das células e nas seqüências de DNA, ou se volta a ser um conceito mais abstrato, como o primeiro apresentado por seu descobridor, em 1909, o dinamarquês Wilhelm Johanssen.

Acredita-se que, para redefinir o que é um gene, é preciso andar de trás para frente: recomeçar alguns estudos pela transcrição do RNA, o ácido ribonucléico, para chegar de volta ao DNA. O objetivo desse caminho reverso é decidir se o gene permanece sendo, sozinho, a menor unidade de determinação dos traços hereditários, ou se, para essa determinação, somam-se outros elementos de funções bastante específicas — como, por exemplo, os exons (trechos de DNA, interiores aos genes, que codificam RNA) e as marcas epigenéticas herdadas. Essas marcas são características estáveis ao longo de diversas divisões celulares, que não envolvem alteração da seqüência de DNA e são importantes em processos de diferenciação celular, como permutação, silenciamento de genes, inativação de cromossos, transversão e processos de carcinogênese, entre outros.

Fora das regras estabelecidas pela genética clássica, o texto do New York Times afirma que diversas proteínas podem estar associadas a um único trecho do DNA; muitas das moléculas produzidas a partir do DNA podem nem mesmo ser proteínas; e que a tão conhecida hélice dupla do DNA não "exerce mais o monopólio sobre a hereditariedade". Outras moléculas, que vivem dentro das células, podem produzir diferenças "gritantes" entre dois organismos detentores dos mesmos genes — ou seja, de um único DNA.

Histórico científico

Para entender melhor a "crise de identidade" do gene, que surge às vésperas do centenário de sua descoberta, a reportagem conta que a palavra gene, cunhada por Wilhelm Johanssen, era usada para designar qualquer coisa transmitida de pais para filhos, de forma que eles desenvolvessem os mesmos traços e características. Como outros cientistas de sua época, o dinamarquês não tinha idéia de que "fator invisível" seria aquele, mas imaginou que fosse útil encontrar um jeito de descrevê-lo. "A palavra gene é completamente desvinculada de qualquer hipótese", afirmava Johanssen no início do século passado; ele gostava de chamá-la "palavrinha de muita aplicabilidade", narra o texto do jornal.

A matéria conta também que, nas últimas seis décadas, cientistas conseguiram concretizar a idéia abstrata de gene. Experimentos diversos, em pão embolorado, por exemplo, com bactérias, com moscas de frutas, com milho. Descobriu-se como alterar características de organismos, alterando moléculas dentro das células. Na década de 1950, a biologia chegou à estrutura tridimensional do DNA, descrita por Watson e Crick como um par de fitas contorcidas em volta de um eixo. Nos anos 1960, tinha-se, assim, uma definição mais clara do que era o gene.

Na época, diz o jornal, definia-se gene como aquele trecho de DNA que contém as instruções sobre como fazer uma determinada proteína. Para produzir uma proteína a partir de um gene, a célula leria as informações contidas nele e construiria a partir delas uma molécula de RNA, em fita única. O RNA era então capturado por um aglomerado de outras moléculas, chamado ribossomo, e utilizado como molde na construção da proteína.

De acordo com o repórter Carl Zimmer, o gene também foi inicialmente apontado como a unidade hereditária básica. Toda vez que uma célula se dividia, reproduzia seus genes, que eram repassados às células-filhas. Assim, nos cabelos vermelhos herdados da mãe — e na predisposição ao câncer de mama, ressalta o texto —, as chances eram de que o filho herdasse o gene produtor daquela característica.

O jornal mostra que essa definição funcionou muito bem por um longo tempo, tanto que, em 1968, biólogos moleculares como Gunther Stent declaravam que o futuro da genética seria apenas decifrar alguns poucos e outros detalhes.

Os detalhes

A matéria do NYT analisa profundamente alguns desses detalhes. De acordo com o jornal, Stent e seus contemporâneos sabiam que eles eram muito importantes — como o fato de genes serem ativados ou desativados quando proteínas específicas encontradas na célula aderiam a pedaços do DNA. Além disso, afirma a reportagem, já se sabia que alguns genes codificavam moléculas de RNA que nunca se tornavam proteínas; ao invés disso, tinham outra função, que era ajudar na formação de proteínas, no ribossomo. Além dessas pequenas "complicações" que fugiam à regra, mas que não comoveram muitos cientistas da época, outros fatos apareceram nos anos 1980 e 1990. Foi descoberto que, quando a célula transcreve o RNA, grandes pedaços de DNA são descartados (íntrons), enquanto outros remanescentes são guardados (exons), de forma que os pedaços inativos permanecem no mesmo local onde a proteína será codificada. O jornal diz que os 21 mil genes do DNA humano codificadores de proteínas representam apenas 1,2% do nosso genoma.

O genoma

O NYT também faz uma curta retrospectiva sobre o genoma, dizendo que, em 2000, um time internacional de cientistas concluiu o que seria o primeiro esboço de todo o material genético de uma célula humana. Apontou-se, então, o local exato de cada um dos genes codificadores de proteínas, deixando de lado os outros 98,8% da molécula de DNA, que ainda estão sendo estudados. Dentre os vários projetos que surgiram a partir desta "selva de desconhecimentos", está o Enciclopédia de Elementos do DNA, ou Encode (sigla em inglês), no qual trabalham centenas de cientistas para determinar a função de cada trecho do genoma humano. O autor lembra que há alguns meses foram publicados os resultados obtidos sobre 1% do genoma — algo em torno de 30 milhões de bases de DNA. Os resultados desses estudos mostraram que o genoma é repleto de genes totalmente estranhos aos padrões clássicos. Thomas R. Gingeras, do Cold Spring Harbor Laboratory, de Nova Iorque, e um dos líderes do Encode, disse ao repórter que "genes estranhos são a regra, e não a exceção".

Assim, um único gene pode fazer mais de uma proteína, em processo conhecido como alternative splicing: a célula seleciona diferentes combinações de exons para dar origem a diferentes moléculas de RNA. O fenômeno foi identificado há mais ou menos 30 anos, mas não se sabia ao certo se era um processo usual. Estudos recentes mostraram que células diferentes produzem transcrições alternativas a partir de um mesmo gene. Para o autor da reportagem pareceu mais "estranho" ainda que células sejam freqüentemente capazes de usar exons em transcrições de outros genes, que podem, por sua vez, ser provenientes até mesmo de outros cromossomos.

Devido a essas descobertas, Dr. Gingeras afirmou ao NYT que não é mais possível pensar os genes como sendo unidades, pedaços do DNA, que ocupam uma determinada posição ou espaço físico. "É um novo paradigma, sobre como devemos pensar que o genoma se organiza", concluiu.

O epigenoma

O jornal nova-iorquino aprofunda o questionamento ao apresentar o epigenoma. Segundo a reportagem, nosso DNA é estudado junto com milhões de outras proteínas e moléculas, que determinam quais genes podem produzir transcrições ou não. Células-filhas, por sua vez, herdam não somente o DNA, mas também todas essas outras moléculas, o que indica que a hereditariedade pode fluir por um segundo canal.

Um dos exemplos citados pelo NYT é a flor linária, cuja planta cresce, normalmente, com pétalas brancas arranjadas em simetria espelhada. Algumas delas, porém, formam uma estrela amarela de cinco pontas. As duas formas da linária passam suas características às plantas-filhas, apesar de essa diferenciação não ser influenciada pelo DNA — ao contrário, ela se dá por uma espécie de cápsula, ou casca, anexada a alguns trechos da molécula de DNA. Essas cápsulas constituem-se de carbono e hidrogênio. Os cientistas descobriram que as linárias que produzem flores no formato de estrela têm um tipo diferente de cápsula localizada sobre um dos genes para formação de flores.

Outra possibilidade, diferente da cápsula encontrada no DNA das linárias, são as histonas — proteínas enroladas ao DNA, como se ele fosse um carretel —, que o impedem de realizar transcrições (funcionam como um bloqueio à atividade genética). Todas as moléculas que ficam sobrepostas ao DNA, conhecidas de maneira geral como marcas epigenéticas, são essenciais para que células assumam seu formato final. À medida que um embrião amadurece, marcas epigenéticas em células diversas se alteram, e o resultado é visto no desenvolvimento de tecidos diferenciados. Quando células se dividem, seus descendentes carregam as mesmas marcas. "Elas ajudam as células a lembrar quais genes devem ser mantidos ativos, e quais nunca devem ser acionados", disse Bradley Bernstein, da Universidade de Harvard, ao repórter.

A matéria afirma também que cientistas sabem muito menos do "epigenoma" que do "genoma". Diz que, em setembro, os Institutos Nacionais da Saúde (NIH, na sigla em inglês) deram início a um programa de US$ 190 milhões para começar a mapear as marcas epigenéticas sobre o DNA de diferentes tecidos. Em entrevista ao jornal, Eric Richards, da Cornell University, afirmou que "agora vai ser possível localizar todas as mudanças que estão além do gene". É esperado também que a pesquisa levante informações sobre as origens do câncer e de outras doenças.

Já se sabe há tempos que, quando o DNA sofre certos tipos de mutação, uma célula pode tender a se tornar cancerígena. Alguns estudos sugerem, porém, que quando marcas epigenéticas sofrem alguma interferência, as células também poderão estar mais vulneráveis ao câncer, porque genes essenciais podem ser desativados e, outros, que deveriam permanecer silentes, tornam-se ativos. O problema, diz a reportagem, é que as mutações são transmitidas para as células descendentes.

Para explicar essa idéia, o NYT mostra que quando um embrião começa a se desenvolver, as marcas epigenéticas que se acumularam no DNA dos pais são totalmente removidas. Às células é somado um set de marcas epigênicas no mesmo padrão que seus pais tinham quando eram embriões. Esse processo é muito delicado, e se um embrião passa por estresse específico, podem ocorrer falhas na captação das marcas epigenéticas corretas.

O exemplo dado pela reportagem vem da Holanda, no ano de 1944, quando grande parte da população passou fome. O jornal conta que estudiosos da Universidade de Leiden analisaram recentemente 60 pessoas que foram concebidas durante aquele ano. Foi detectado que, hoje, essas pessoas ainda têm menos marcas epigenéticas que seus irmãos que não passaram fome. Em 1944, mulheres grávidas não puderam se alimentar bem, o que criou deficiência de nutrientes necessários à formação bioquímica dessas marcas.

Ainda de acordo com a matéria do NYT, em um segundo artigo a ser publicado em 2009 na The Quarterly Review of Biology, Eva Jablonski e Gal Raz, da Universidade de Tel Aviv, em Israel, apresentarão uma lista de 101 casos em que um traço determinado por mutação epigenética foi passado adiante para três gerações. Já Matthew Amway, da Universidade Estadual de Washington, descobriu que expor ratazanas grávidas a químicos anti-fungos compromete marcas epigenéticas de embriões machos, de tal forma que, ao se tornar adultos, sofrem alterações no esperma e outras doenças, como câncer — marcas repassadas às gerações subseqüentes.

Além disso, notou-se também que ratazanas que tiveram útero exposto ao químico evitaram o acasalamento com machos expostos, e essa "preferência" também era transmitida por gerações. O jornal norte-americano declara que, apesar de curiosos e lançadores de novas perspectivas às ciências, não se sabe muito bem sobre a importância real dessas mudanças ao longo de algumas gerações.

RNA é o foco

A matéria de Carl Zimmer, no NYT, conta ainda como a ciência entende a criação das marcas epigenéticas. Para que uma cápsula de carbono e hidrogênio como aquelas das linárias seja anexada sobre um trecho do DNA, um aglomerado de proteínas deve ser guiado ao ponto certo; e esse trabalho é realizado por uma molécula de RNA. O repórter conta que elas são chamados de RNA-guias. Ele afirma também que na última década geneticistas descobriram moléculas de RNA que nunca sintetizam proteínas (noncoding RNA, no inglês).

Em 2006, por exemplo, Craig Mello, da Universidade de Massachusetts, e Andrew Fire, da Universidade de Stanford, ganharam o Nobel por ter descoberto que pequenas moléculas de RNA silenciavam a atividade de alguns genes ao interferir em seus processos de transcrição. Essa idéia levantou a dúvida sobre quanto noncoding RNA é produzido em nossas células. "Um monte", afirma o autor da reportagem, baseado em resultados do Encode: apesar de apenas 1,2% do genoma humano codificar proteínas, pesquisadores estimam que aproximadamente 93% dele realize transcrições de RNA.

Ainda como parte do Encode, relata o NYT, cientistas identificaram a localização de variações no DNA que estão associadas a doenças como o câncer. Um terço dessas variações estava longe de ter qualquer relação com genes responsáveis pela síntese protéica. Assim, entender como o noncoding RNA funciona poderá conduzir a descobertas sobre como usar drogas apropriadas no controle de riscos de doenças genéticas. "Isso será um tema central de pesquisa na próxima década", opinou ao jornal Ewan Birney, um dos líderes do Encode no European Bioinformatics Institute.

Outro pesquisador do grupo, David Haussler, que fica na Universidade da Califórna em Santa Cruz, acredita que "a célula faz o RNA e simplesmente o joga fora". Para tal inferência, explica o jornal, o cientista baseia-se na evolução: se um segmento de DNA codifica uma molécula essencial, mutações tendem a produzir estragos catastróficos. A seleção natural encarrega-se, assim, de livrar-se da maioria dos mutantes. Se um segmento de DNA não faz muita coisa, em contrapartida, ele sofrerá mutações sem que cause maiores danos. Através de milhões de anos, um pedaço essencial do DNA colecionará algumas mutações, quando comparado com um menos importante, que apresentará muitas mutações.

Segundo Haussler, apenas 4% do noncoding DNA do genoma humano mostra sinais de ter sofrido forte seleção natural. Alguns desses segmentos podem codificar moléculas de RNA com função importante nas células. Outros podem conter pedacinhos de DNA que controlem genes vizinhos. Haussler afirmou à reportagem que a maior parte do restante do RNA na célula não tem nenhuma função, e só fica lá "sendo arrastado junto com os outros".

A linha entre o útil e o inútil, contudo, é muito difícil de ser desenhada. É descrito que mutações podem fazer células produzirem uma proteína a partir de determinado gene, o que é chamado pelos cientistas de pseudogene. Para Gerstein há, no genoma humano, de 10 mil a 20 mil pseudogenes, e a maioria deles está efetivamente morta, mas alguns ainda fazem moléculas de RNA com alguma função essencial. Segundo o jornal, Gerstein chama os pseudogenes ativos de "undead".

DNA estrangeiro

Encerrando a matéria, Carl Zimmer afirma que muito da carga genética não é proveniente de genes mortos, mas dos vírus que invadem as células. Eles adicionaram seu DNA ao material genético passado, de antigas gerações, e fizeram cópias de si mesmos que sofreram mutações e perderam sua mobilidade. Haussler explicou também ao repórter que nosso genoma é cheio de carcaças desses pequenos vírus que infectaram nossos ancestrais há milhões de anos.

Com isso, pedaços de DNA viral também podem ter provocado alguns danos, fazendo o genoma parar de produzir enzimas essenciais — centenas de doenças genéticas estão associadas a esse processo, e uma das funções mais importantes do noncoding RNA é prevenir a célula da reprodução rápida do DNA viral. O NYT finaliza concluindo que alguns pedaços de DNA viral podem também ser benéficos, produzindo RNA útil a funções celulares. Segundo Haussler, eles garantem o material inovador dentro das células, no decorrer dos séculos.

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