>Eu, primata, e meu elemento Alu

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Em 1979 no artigo “A ubiquitous family of repeated DNA sequences in the human genome” foram identificadas diversas seqüências repetitivas de retrotransposons classificados como SINE’s (pequenas sequências de DNA menores que 500 pares de base) que continham um local de reconhecimento para a enzima de restrição Alul, e por isso receberam o nome de elementos Alu. São seqüências genéticas encontradas somente nos primatas e o genoma humano possui um numero grande dessas seqüências, em torno de ~500,000 cópias. Após a “leitura” do genoma humano utilizando técnicas modernas, foi estimado que existam próximo a um milhão de copias do elemento Alu, comprimindo 10 % do genoma total humano.

A origem do Alu reside nos últimos 65 milhões de anos, após a radiação dos mamíferos e posteriormente os primatas, e teve sua origem no grupo dos Supraprimatas. A maioria dos elementos Alu se duplicaram a mais de 40 milhões de anos atrás e durante a ascensão dos primatas é estimado que uma duplicação do elemento tenha ocorrido a cada nascimento de primata. Em contraste a atual taxa de amplificação do elemento é em torno de uma nova inserção a cada 200 nascimentos.

A diversidade criada por uma nova inserção pode ter impacto positivo no genoma, como numa alteração vantajosa na expressão de uma proteína, mas geralmente possui efeitos desvantajosos, sendo indicado uma ligação entre a incidência de câncer de colon em humanos. Devido ao grande número de Alu’s no genoma dos primatas e consequentemente no genoma humano, e por sua existência ser restrita somente a esse grupo, possivelmente esses elementos desempenharam um importante papel na evolução dos primatas.

Referências:

A ubiquitous family of repeated DNA sequences in the human genome. J Mol Biol. 1979 Aug 15;132(3):289–306

Nyström-Lahti M, Kristo P, Nicolaides NC, et al. (November 1995). “Founding mutations and Alu-mediated recombination in hereditary colon cancer”. Nat. Med. 1 (11): 1203–6

Bolzer A, Kreth G, Solovei I, Koehler D, Saracoglu K, et al. (2005) ThreeDimensional Maps of All Chromosomes in Human Male Fibroblast Nuclei and Prometaphase Rosettes. PLoS Biol 3(5)

http://www.nature.com/scitable/topicpage/Functions-and-Utility-of-Alu-Jumping-Genes-561

Batzer, M. A. and P. L. Deininger (2002) Alu repeats and human genomic diversity. Nature Reviews Genetics 3: 370-379

Imagem: Cariótipo de linfócito de uma femêa humana (XX, 46 cromossomos,). Os cromossomos foram hibridizados com uma sonda para sequeências de Alu (verde).

Jill Greenberg: The Manipulator

>O "Elemento P" das Drosophilas

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Na metade dos anos 70, em experiências realizadas com híbridos de populações de Drosophila melanogaster selvagens, com drosophilas coletadas antes dos anos 70 e mantidas em laboratório , observou-se que a prole gerada no cruzamento geralmente apresentava diversas mutações, e alguns dos indivíduos eram estéreis. Em 1977, essas observações foram explicadas, e consistiam em um único fenômeno, que englobava todas essas complicações genéticas, chamado de “Disgenesia do híbrido” (Hybrid disgenesis), que posteriormente com a descoberta do elemento transponível “P”, foi identificado como a causa desse fenômeno, que ocorria no cruzamento de machos que possuíam o elemento P (cepa P/citótipo P) , e fêmeas que não o possuíam (cepa M/citótipo M) ou vice-versa, o que gera uma incompatibilidade citoplasmática na prole, tornando-os estéreis ou com complicações genéticas. O mais desconcertante é que nas populações antigas do laboratório, não foram encontradas indivíduos que carregavam o elemento P, somente nas populações selvagens, o que indicou que a “contaminação” por elementos P, em drosophilas selvagens tinha ocorrido muito recentemente, em torno de algumas décadas. Dados recentes indicam que esse elemento foi transferido horizontalmente para a Drosophila melanogaster através da D. willistoni, e a sequência dos nucleotídeos do elemento compartilhado difere somente em uma base nitrogenada.



Sylvia Hagemann e Wilhelm Pinsker sugerem no artigoDrosophila P Transposons in the Human Genome?” que o genoma humano possui um gene homologo (Phsa) ao elemento P canônico encontrado em drosophila, identificado com o algoritmo de busca BLAST no banco de dados genômico GenBank, e a busca revelou similaridades significativas de sequências de aminoácidos entre o elemento P e uma proteína humana de função desconhecida. Mais um caso de contribuição genética via lateralmente de um parente distante?

Imagem: daqui

Referências:

Blauth, Monica L. et al. Detection of P element transcripts in embryos of Drosophila melanogaster and D. willistoni. An. Acad. Bras. Ciênc., Dec 2009, vol.81, no.4, p.679-689. ISSN 0001-376

Joana C. Silva1 and Margaret G. Kidwell, Horizontal transfer and selection in the evolution of P elements. Mol. Biol. Evol. 17

Sylvia Hagemann and Wilhelm Pinsker Drosophila P Transposons in the Human Genome

? Mol Biol Evol 2001 18: 1979-1982

>Transponsons saltando da "boca-de-leão"

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A Transposição é o movimento de material genético no genoma de um local para outro. Seqüências de DNA que possuem a capacidade de mudar sua localização genômica são chamadas de elementos transponíveis. Há dois tipos de transposição, diferenciando-se pelo fato do elemento ser replicado ou não. No tipo de transposição conservativa, o elemento se movimenta de um local para outro. O que acontece com o local doador ainda não é claro. Um dos modelos propõe que a quebra da dupla fita de DNA após a transposição é reparada pelo sistema de reparação do hospedeiro.
Na transposição replicativa, o elemento transponível é copiado, e uma cópia permanece no local original enquanto a outra se insere em um novo local. Dessa forma, a transposição replicativa é caracterizada por um aumento no número de cópias do elemento transponível. Alguns elementos utilizam ambos os caminhos conservativos e replicativos.

Nos tipos de transposição descritos acima, a informação genética é carregada pelo DNA. Sabe-se que a informação genética pode ser transposta através do RNA. Neste modelo o DNA é transcrito a partir do RNA que sofre uma transcrição reversa em cDNA. Para distinguir entre os dois modelos, o modo de transposição mediada pelo RNA é chamado de retroposição. Ambas as transposição e retroposição são encontradas em organismos eucarióticos e procarióticos.
Em contraste com a transposição mediada pelo DNA a retroposição é sempre do tipo duplicativa porque é uma cópia da transcrição reversa do elemento, não o elemento em si, que é transposto.
Uma das primeiras descobertas importantes no campo de elementos transponíveis, logo após a caracterização do sistema Ac/Ds por Barbara McClintock, foi realizada em pesquisas com a planta boca-de-leão (Antirrhinum sp.), por equipe de Edwin Baur entre os anos 60 e 70. A equipe caracterizou dois genes envolvidos na produção de antocianinas, pigmentos azul-avermelhados, o NIVEA (NIV) e PALLIDA (PAL), e descobriram que elementos transponíveis, denominados de Tam se encontravam nesses genes. Foi o primeiro transposon isolado de uma planta e a homologia é notável entre esse elemento, o elemento Ac do milho e o hobo encontrado em Drosophila melanogaster.


Imagens: Wikipedia commons, Prof. Dr. Otto Wilhelm Thomé Flora von Deutschland, Österreich und der Schweiz 1885, Gera, Germany

Chrisdellavedova.com

Referências:

Pray, L. (2008) Transposons, or jumping genes: Not junk DNA? Nature Education 1(1)

>Evo-Devo pt 4: Sobre Genes e Borboletas (The Beauty of Butterflies)

>ResearchBlogging.org

Bem, cá estava eu matutando com meus botões qual seria o capítulo final da Quadrilogia Evo-Devo. Me deparei (no Infinitas Formas de Grande Beleza, do Sean Carroll) com um assunto que acho muito bacana: os padrões gráficos das asas das borboletas e a influência gênica sobre eles. Mas, como eu queria realmente fazer um post que fechasse com chave de ouro a “Saga”, continuei pensando em outras alternativas, e tal.
Mas eis que, numa bela manhã abafada e insuportavalmente quente, estava eu chegando no laboratório, e dou de cara com essa belezura que vocês podem ver abaixo. Fui eu que tirei as fotos, então, por favor, não notem a falta de profissionalismo fotográfico!


Não faço ideia de qual o nome dela (alguém sabe?), mas é realmente impressionante, não é? Igual uma folha! E o corpitcho branquinho, então? Bom, coincidências a parte, esse “encontro” me fez deixar de lado as dúvidas e falar de uma vez sobre as maravilhas das cores e formas das asas das borboletas aqui no Tage des Glücks, e espero que vocês gostem do que vão ler 🙂

Andy Warhol já mostrava as infinidades de possibilidades de pinturas sobre a tela das asas das borboletas em seu ” Happy Butterfly Day” em 1955 (vejam a reprodução abaixo), e não seria de estranhar que cientistas fossem se interessar pelo “processo de fabricação” dessa variedade toda.

A beleza e diversidade do que se vê na ordem Lepidoptera (que inclui as mariposas e borboletas) se devem principalmente a três invenções posteriores à separação dessa linhagem dos outros insetos: escamas, coloração e sistemas de organização geométrica nas asas. Pra não exaurir a paciência dos queridos leitores, vou falar dessa última parte.
Os padrões geométricos nas asas se devem à invenção e elaboração de vias embrionárias que os organizam, sendo que os ocelos são os elementos mais conhecidos. Esses círculos são compostos por anéis concêntricos de escamas de diferentes cores. Os ocelos aparentemente são importantes na evasão de predadores (aspecto chamativo ou semelhança com olhos provocando desvio da atenção e possível ataque para a margem externa da asa). Inclusive, o pesquisador Fred Nijhout demonstrou que a posição dos futuros ocelos é determinada ainda na lagarta, e que os anéis concêntricos são induzidos por um organizador, chamado foco, que se localiza no centro do ocelo em desenvolvimento.
Mas, e os genes responsáveis pela formação dos ocelos, por exemplo? Seria interessante verificar qual o arcabouço genético por detrás dessas estruturas… Foi isso o que o glorioso Sean Carrol fez. No laboratório dele, onde se trabalha muito com Drosophila, alguns pesquisadores isolaram diversos genes do kit de ferramentas da borboleta Junonia coenia (essa bonita logo abaixo), cujos homólogos estavam envolvidos da construção e organização das asas de drosófilas.


Até aí não tinha grandes segredos. Afinal, são insetos, certo? O objetivo real era observar a geografia da expressão desses genes nas asas dessa borboleta (isso, na verdade, foi feito ainda no estágio de lagarta, visto que nela que se inicia o processo dos desenhos observados nas asas dos adultos, nos chamados “discos imaginais”). Assim, poderia ser observado como os desenhos dos ocelos eram esboçados.
Bem, a parte óbvia da questão foi comprovada (expressão correspondente dos genes entre a borboleta e a drosófila para formação das asas, mostrando uma embriogênese da asa comum). O emocionante e surpreendente foi ver a expressão desses genes como padrões de manchas nos discos embrionários das asas de uma lagarta. Sean e seu técnico de laboratório, Julie Gates, viram dois pares de círculos em cada disco, precisamente onde surgiriam os ocelos uma semana depois, nas posições em que aquele outro cientista, Fred Nijhout, já havia dito que se encontrava o “foco” ao redor de onde se expandem os discos dos ocelos. Eles verificaram que os círculos eram formados apenas pelo Distal-less (o mesmo gene envolvido na construção dos membros de drosófilas e artrópodes), mostrando, assim, uma nova atibuição a esse gene. Lá estava o Distal-less se expressando nas pontas de onde seriam as asas, mas lá também estava ele se expressando nos futuros ocelos!
Não satisfeitos, a equipe de Carroll continuou funçando os ocelos das borboletas, procurando encontrar outros genes envolvidos na construção dos anéis concêntricos. Foi quando o aluno de pós-doutorado Craig Brunetti encontrou expressão das proteínas Spalt e Engrailed em um ocelo e um anel, respectivamente, na borboleta Bicyclus anynana (ó ela aí embaixo!). Nessa espécie, os ocelos apresentam um centro branco, cercado por um anel preto mais largo, o qual é então circundado por um anel dourado. O padrão da Spalt demarcava bem certinho o futuro anel preto, enquanto que a Engrailed fazia as vezes com o anel dourado.


Aí estavam mais genes fazendo os ocelos. Porém, assim como o Distal-less, esses outros dois genes não eram exatamente conhecidos por sua capacidade de fazer anéis concêntricos, ora bolas. Tome o caso do Engrailed. Ele codifica um fator de transcrição contendo homeodomínio, e foi descoberto em mutantes de Drosophila (agora você já deve estar familiarizado com esses termos, certo?), nos quais a falta deste gene resultava na falha de uma borda que normalmente divide os compartimentos anterior e posterior das asas. Homólogos desse gene já foram descritos em muitos outros grupos animais, inclusive nos humanos, onde suas proteínas (codificadas por dois genes Engrailed, En-1 e En-2) possuem numerosos (e sobrepostos) papéis no desenvolvimento neural, apresentando, de forma interessante e curiosa, uma natureza multifuncional: conseguem regular tanto a transcrição quanto a tradução, além de poderem ser secretadas e internalizadas por células. No desenvolvimento neural, um dos primeiros papéis do Engrailed é a determinação da borda entre o cérebro anterior e posterior, um importante centro de organização durante o desenvolvimento cerebral. E isso é só uma das funções, imagine só!

E, repito, lá estava o Engrailed, importante no desenvolvimento neural dos humanos (e outros mamíferos), fazendo ocelos de borboletas!!!
Veja bem, não há nada que se espantar. Neste e em tantos outros casos está em uso um dos “mantras” da natureza: a reutilização de velhas “ferramentas” para novos fins. Trocando em miúdos e usando de um exemplo hipotético, um gene que servia para ajudar na construção de uma asa, por exemplo, pode começar a fazer apêndices bucais também. Isso, principalmente, pela mudaça no (ou no número de) interruptor genético do gene. O interruptor é uma sequência responsável pela “assimilação” de sinais específicos (ele tem um GPS afiado!), que levam à ativação ou desativação do gene. Então, se antes o gene aqui fatídico só tinha interruptor que reconhecia um sinal que lhe “mandasse” expressar nas asas, agora, por exemplo, pode haver mais um interruptor, que reconhece sinais provindos da parte bucal do animal, também induzindo sua expressão.
Aliás, essa expressão gênica similar em estruturas não-homólogas é o tema de um dos artigos que eu usei como referência para este post (aquele de nome tão bonito: Wings, Horns and Eyespots: How do Complex Traits Evolve?), que mostra, junto a diversos esquemas bem bacanas, esse que eu colo logo abaixo.


Simples, mas maravilhoso. Como as borboletas, e como, aliás, tudo na natureza, na minha opinião.

E este é o final da “grande” Saga da Evo-Devo! Espero que tenha agradado, que vocês tenham aprendido coisas legais, assim como eu aprendi, no desenvolver de todos os posts.
Muy grata a todos que tiveram a paciência de ler!!

Vocês viram só que chique o selo lá em cima do post, do Research Blogging?
Pois é, agora o Tage des Glücks tem selo de qualidade!

Queria agradecer em especial ao Alessandro, do blog Café com Ciência, que sempre passa aqui visitar e me deu essa excelente dica, e também os passos para conseguir o selo.

Só mais um aviso, ho ho: nos próximos 15 dias eu vou estar em um Curso de Biologia Celular e Molecular na Faculdade de Medicina da USP de Ribeirão Preto. Bacana, né.
Vai ser difícil eu postar alguma coisa nesse período, mas certamente responderei os comentários sempre tão agradáveis dos leitores do Tage des Glücks.
Agora sim, terminei.


Vejam abaixo as fontes que usei:
– Tirei a bela reprodução da tela do Warhol daqui, a foto da
Junonia daqui, e a foto da Bicyclus daqui.
– Carrol, S. Infinitas Formas de Grande Beleza. Rio de Janeiro: Jorge Zahar Editor, 2006.
Monteiro A, & Podlaha O (2009). Wings, horns, and butterfly eyespots: how do complex traits evolve? PLoS biology, 7 (2) PMID: 19243218

– Morgan R (2006). Engrailed: complexity and economy of a multi-functional transcription factor. FEBS letters, 580 (11), 2531-3 PMID: 16674951

>A descoberta dos "genes saltadores"

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A bióloga Barbara McClintock foi uma pioneira no campo da citogenética, trabalhando com o milho (Zea mays), como modelo experimental no inicio dos anos 30 no Cold Spring Harbor Laboratory em Nova York, descrevendo a dinâmica do material genético nos cromossomos, e demonstrando o fenômeno do crossing-over (ou recombinação genética). Em trabalhos com esse modelo em 1944, ao pesquisar a expressão fenotípica do milho, que gerava alteração nas cores nas espigas do milho indiano, a pesquisadora descobriu que dois elementos do genoma, o Dissociador (Ds) e Ativador (Ac) podiam mudar sua posição nos cromossomos. Observou-se que elemento Ac controla a transposição do Ds e, quando este último move-se para outra região, ele se liberta dessa inibição e inicia a síntese de um pigmento que leva ao aparecimento de grãos de cores diferentes. Esses elementos moviam-se somente após as células serem submetidas a algum tipo de estresse (por exemplo, quando se reproduzem ou quando são submetidas à radiação), na época da descoberta, essas seqüências genética foram denominadas de elementos controladores (controlling elements).
Estes trabalhos mudaram a visão estática que se tinha do material genético dos organismos e, no entanto, Barbara só ganhou o Nobel de Medicina ou Fisiologia em 1983, aos 81 anos, 39 anos depois de sua mais importante descoberta.

“Nerd style”
Imagem: daqui

Referências:

McClintock, B. (June 1950). “The origin and behavior of mutable loci in maize”. Proc Natl Acad Sci U S A. 36 (6): 344–55

Pray, L. (2008) Transposons, or jumping genes: Not junk DNA? Nature Education 1(1)

>A lesma que roubava genes

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O Surgimento da fotossíntese foi um dos momentos grandiosos da história da vida aqui na Terra. Começou quando um grupo de organismos banhados pela imponente radiação do nosso Sol branco-amarelado, começou a retirar o CO2 da atmosfera para produzir sua matéria orgânica pessoal. A temperatura do planeta começou a baixar (lembre-se que o CO2 e um gás estufa) e uma nova era do gelo começou. Talvez o primeiro caso de “poluição” em massa, provavelmente levando milhares de organismos anaeróbicos (que não utilizam o oxigênio para respiração) a desaparecerem para sempre. O resto, faz parte da história botânica do nosso planeta. Até certo momento, quando um animal, uma pequena lesma marinha, batizada de Elysia chlorotica, “roubou” o maquinário necessário para a fotossíntese.
Em novembro de 2008 na revista PNAS, foi publicado uma pesquisa demonstrando que a E. chlorotica possui um gene, o psbO, que é idêntico ao da alga em que ela se alimenta, Vaucheria litorea, não existente em nenhum outro animal e faz parte do sistema fotossintético de plantas e de microalgas como a Euglena.

A habilidade de fazer fotossíntese, por aproximadamente nove meses após se refestelar em algas marinhas, ocorre devido a ingestão dos plastídios durante o desenvolvimento juvenil do molusco (por isso sua cor esmeralda) já havia sido descrita em artigos anteriores do mesmo grupo de pesquisa de Mary E. Rumpho, responsável pela identificação do gene PsbO no genoma da E. chlorotica. Mas como foi que a lesma “roubou” o gene da alga e começou a fazer fotossíntese? Essa característica de roubar, é conhecida técnicamente como cleptoplastia, e deve ter acontecido com os ancestrais da lesma e da alga, que possuem essa profunda intimidade há milhares de anos atrás, onde acidentalmente o gene foi sequestrado no genoma da lesma em uma transferência horizontal gênica.
Durante o XII RABU da UNISINOS, em Novembro desse ano, estava assistindo a excelente palestra do prof. Elgion Loreto da UFSM, de Santa Maria/RS, sobre elementos transponíveis e a transferência horizontal gênica, quando vejo aquela foto enorme projetada da parede, a mesma que ilustra o banner desse blog, e nesse momento todos os meus colegas de curso olharam para trás da fileira de bancos me procurando, pois tinham reconhecido a minha querida lesma marinha fotossintetizante. Um momento grandioso da historia da vida desse blog.

Gostaria de dedicar esse texto ao professor Francisco J. Carrapiço, da Universidade de Lisboa, que gentilmente me aceitou para um estágio em seu laboratório, mas que ainda não pude realizar por motivos econômicos.

Referências:

Chloroplast genes are expressed during intracellular symbiotic association of Vaucheria litorea plastids with the sea slug Elysia chlorotica. Proc Natl Acad Sci USA

Rumpho ME, Worful JM, Lee J, et al. (November 2008). “Horizontal gene transfer of the algal nuclear gene psbO to the photosynthetic sea slug Elysia chlorotica”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (46): 17867–17871.

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