Existirão provavelmente poucos – se algum leitor disto para quem o nome Barbara McClintock não me diz nada. Embora todos os prêmios Nobel ganhem amplo reconhecimento, em seu caso foi agravado pela batalha que ela enfrentou pela aceitação de seu trabalho. Uma citogenética trabalhando no milho como um sistema modelo, ela havia chegado à conclusão de que nem todos os genes eram loci fixos estáticos em pontos definidos do genoma. Dizer que a sua conclusão de que havia “genes saltadores” – codificando elementos de DNA capazes de se mover de um local cromossômico para outro – foi recebida com descrença generalizada é um eufemismo educado. O tempo e o peso dos dados provaram seu direito e seu Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1983, aos 81 anos de idade, foi tanto uma prova de sua perseverança quanto de sua boa ciência.
As características de DNA que ela descobriu são apropriadamente referidas como elementos transponíveis ou transpositores. Estruturalmente, eles compartilham uma série de características semelhantes a alguns tipos de vírus (retrovírus) e podem, de certa forma, ser considerados como semelhantes a um vírus, na medida em que eles podem se replicar de forma semi-autônoma através do uso de máquinas de células hospedeiras. Ao contrário dos vírus verdadeiros, os transposons não deixam a célula, e a prole simplesmente se muda para um novo local genômico onde eles fixam residência. Eles são, na verdade, o exemplo mais simples do que é chamado de “o gene egoísta”, um postulado de que os elementos genéticos apenas procuram se replicar a eles mesmos. Embora a maioria tenha “escolhido” fazer isso através da associação cooperativa com outros genes para criar organismos replicadores viáveis, os transpositores fazem isso puramente em seu próprio nome e mais como um parasita na célula hospedeira do que como um componente produtivo de um todo maior. Nosso interesse neles, hoje em dia, deriva em primeiro lugar do fato de que eles não se limitam apenas a existir no milho, mas são de fato encontrados na maioria dos organismos, incluindo humanos, e, em segundo lugar, no que diz respeito a este estilo de vida intracelular nocivo, sempre em si mesmo.
LINES e SINES
Os humanos não têm apenas um tipo de transposição – na verdade, há vários tipos que são agrupados livremente com base no seu tamanho físico em Elementos Longos Intercalados (LINES) e Elementos Curtos Intercalados (SINES). Como seria de esperar, quanto maiores estes forem fisicamente, mais informação genética eles podem codificar. O conhecido como LINE-1 com um tamanho de ~6000 códigos de pares básicos para dois quadros de leitura abertos (regiões que podem ser transcritas para mRNA e depois traduzidas para proteína). Uma dessas proteínas tem atividade de ligação de RNA mas uma função biológica pouco clara; a segunda tem endonuclease (corte de DNA) e transcrição reversa (geração de seqüências de DNA baseadas em modelos de RNA). Essencialmente depois que um elemento LINE-1 é transcrito (impulsionado em parte pelos locais de ligação do fator de transcrição em sua extremidade de 5′), a segunda proteína expressa faz cortes no DNA hospedeiro através de sua função de endonuclease. Ela então faz uma cópia do DNA da transcrição completa da LINE-1 através da sua função de transcriptase reversa. Esta cópia de DNA é inserida no genoma hospedeiro cortado e a máquina de reparação do DNA da célula hospedeira liga-a ao local. O cromossoma hospedeiro ganhou agora uma nova cópia da LINE-1 e cada ciclo de replicação celular subsequente replica isto como parte do seu ADN nuclear “normal, inato”. Isto é considerado retrotransposição autónoma, uma vez que a LINE-1 fornece as suas próprias funções enzimáticas chave para o processo. Embora o processo em si ocorra raramente, é fácil ver como isso pode levar ao acúmulo de múltiplas cópias replicadas do elemento LINE-1 ao longo de longos períodos de tempo biológicos. Pensa-se que a LINE-1 é o único elemento transponível totalmente autónomo do genoma humano, e provou ser uma estratégia biológica eficaz com quase 17% do genoma humano composto por esta sequência (cerca de 170.000 cópias por célula)!
O nosso foco hoje, no entanto, é um SINE, e em particular aquele (na realidade, a única família) conhecido como elementos Alu. Nomeado após um local de endonuclease de restrição (Alu I) eles caracteristicamente contêm, eles são muito mais curtos que o LINE-1, com apenas cerca de 280 pares de bases de comprimento. Isto significa que eles não têm muita capacidade de codificação própria além de alguns sinais de início transcripcionais e, portanto, não são autônomos. Na verdade, os elementos Alu requerem tanto fatores celulares como o segundo produto protéico da LINE-1 para sua replicação, sendo de certa forma parasitas tanto para a célula hospedeira como para os elementos da LINE-1. Este parasita de uma abordagem parasitária é aparentemente uma estratégia genética egoísta ainda mais eficaz, já que os elementos Alu constituem cerca de 11% do genoma humano (cerca de 2 milhões de cópias por célula).
Impacto biológico
Não surpreendentemente, há alguns impactos muito reais de ter tantos parasitas genéticos no nosso genoma – e instáveis, por isso. Particularmente através da transcrição e outros sinais genéticos que eles carregam, um elemento Alu pode influenciar muitos aspectos da expressão do gene hospedeiro proximal, incluindo níveis de expressão do gene basal, emenda de intron e poliadenilação, e edição de RNA. A pressão evolutiva sobre a célula como um todo geralmente levaria à adaptação do genoma hospedeiro a estes para acomodar, compensar, ou talvez em alguns casos até mesmo obter um benefício do impacto de um elemento Alu em particular no contexto. Tais adaptações do hospedeiro levam tempo, porém, e patologias clínicas podem surgir quando um novo evento de transposição de Alu ocorre levando a uma mudança genética abrupta no que é essencialmente um loci aleatório – a inserção de uma nova cópia de Alu.
Algumas coisas a saber sobre isto é que como é um processo de transcrição (RNA) iniciado de replicação, a replicação é propensa a erros. Ao contrário das polimerases de ADN, muitas das quais contêm o que se chama uma função de revisão em que cada nucleótido adicionado à cópia de modelo nascente é submetido a uma segunda verificação para confirmar uma correspondência complementar verdadeira em oposição a uma baseada num deslocamento tautomérico transitório, as polimerases de RNA são biologicamente optimizadas para velocidade e processividade. Uma vez adicionado um nucleotídeo a uma transcrição crescente, a polimerase corre à frente para a base seguinte. Uma vez que uma proporção de todas as bases que compõem o DNA e o RNA podem e existem em formas tautoméricas onde existem breves rearranjos de hidrogênios e ligações duplas em comparação com as formas que vemos nos livros didáticos, as transcrições de RNA tendem a ter taxas baixas mas significativas de erros de cópia de seu modelo de DNA.
Eu sinto alguns leitores entrando em pânico de repente, por que se isto é assim, não somos todos uma bagunça devido a erros nas transcrições regulares de mRNA? É porque fazemos múltiplas cópias de transcrições de genes ativos, e em média elas estão bem. Quer estejam OK ou não, têm uma vida curta antes da degradação e substituição por novas transcrições, conforme necessário. Portanto, erros esporádicos raros em mRNAs provavelmente não serão significativos.
Se, no entanto, agora você pegar essa cópia não-quiteto-perfeita do RNA de um DNA, e depois transcrevê-la de volta para o DNA para propagação a longo prazo, você agora fixou essa mudança genética para o longo prazo. Uma consequência disto é que apenas uma pequena proporção dos elementos Alu em nossos genes são realmente competentes para se replicar e inserir novas cópias de si mesmos. Ao todo, estima-se que haja apenas uma única inserção de Alu. Isso é muito bom, porque esses eventos de inserção são potencialmente problemáticos.
Recorde que cerca de um por cento ou um pouco mais do genoma humano está codificando para as proteínas hospedeiras (cerca de 21.000 genes). Se fizermos cortes e enfiarmos DNA não relacionado intencionalmente no genoma, é lógico que cerca de um por cento deles estaria nos genes e o resultado seria uma inativação insercional do gene. Como o elemento Alu carrega sinais transcripcionais e potencialmente outros elementos reguladores, também é bem possível que ele exerça influências indesejadas na expressão gênica de coisas das quais ele está meramente próximo. Em ambos os casos o resultado é a desregulação de um gene ou genes, quase certamente com resultados deletérios.
Outro à parte, exatamente este processo é usado em alguns organismos modelo para identificar genes relacionados a um traço fenotípico. Simplisticamente, transposons endógenos ao organismo podem ser encorajados a ativar, e organismos progênie com mudanças no fenótipo de interesse são examinados para quaisquer novos locais de inserção de transposons na suposição de que eles possam estar em genes relacionados ao fenótipo ou próximos a ele. É chamado de marcação de transposão.
Besides novos eventos de retrotransposição causando inativação de inserção, o alto número total de elementos de Alu em e de si mesmo pode levar a outros problemas genéticos. Especificamente, estas ilhas locais de semelhança de seqüência podem ser pontos para eventos de recombinação homólogos desiguais, onde o contexto cromossômico ao redor de cada elemento Alu não é o mesmo. Estes podem ocorrer tanto extracromossomicamente (levando à troca de segmentos cromossômicos não-homológicos) quanto intracromossomicamente (onde tendem a levar à eliminação ou duplicação de regiões, dependendo se os dois elementos Alu estão na mesma polaridade ou em orientações inversas).
Exemplos de vida real
Então, agora que cobrimos a teoria de que existem realmente elementos genéticos móveis em humanos, eles às vezes ativam e inserem novas cópias de si mesmos, e isso pode ter conseqüências ruins para a célula – o que dizer dos exemplos de vida real? As pessoas aparecem em ambientes clínicos com problemas atribuíveis a novas inserções de Alu? Absolutamente; já em 19991 estimava-se que as novas inserções de Alu eram detectáveis em aproximadamente um de cada 200 nascidos vivos, e eram responsáveis por 0,1% dos distúrbios genéticos conhecidos. Relatos particulares da literatura incluem ocorrências espontâneas de hemofilia;2-4 síndrome de Apert;5 neurofibromatose tipo 1;6 e atrofia óptica.7 Os leitores que procuram uma lista mais longa são encaminhados para uma revisão a partir de 2012 e suas referências, listadas como referência oito abaixo.
Apresentações clínicas relacionadas a eventos recombinacionais influenciados por Alu são provavelmente mais difíceis de identificar com certeza do que as de eventos de inserção, mas casos foram relatados (veja referência nove para um exemplo) e provavelmente são mais freqüentes do que sabemos.
De uma perspectiva de tratamento, cada mutação induzida por Alu – insercional ou recombinacional – é única e o tratamento (se houver) provavelmente teria que estar relacionado à intervenção bioquímica direta na(s) via(s) impactada(s) onde possível, ou talvez ferramentas de engenharia genética como previsto em outras doenças genéticas inatas. Portanto, elas permanecem para o clínico mais uma curiosidade do que um tipo de condição com um tratamento ou prevenção comum – mas provavelmente uma de frequência não insignificante na raiz de uma nova apresentação genética.
- Alu Repetidos e Doença Humana. Deininger P, Batzer M. Molecular Genetics and Metabolism 1999; 67(3):183-193.
- An Alu insert as the cause of a severe form of hemoophilia A. Sukarova E, Dimovski AJ, Tchacarova P, et al. Acta Haematol. 2001;106(3):126-9.
- Haemophilia B devido a uma nova inserção de um membro da subfamília Alu específico do ser humano dentro da região codificadora do gene do fator IX. Vidaud D, Vidaud M, Bahnak BR, et al. European Journal of Human Genetics 1993; 1(1):30-36.
- Exon skipping causado por uma inserção intrônica de um elemento jovem Alu Yb9 leva a hemofilia severa A. Ganguly A, Dunbar T, Chen P, et al. Human Genetics 2003; 113(4); 348-352.
- De novo Alu-element inserções em FGFR2 identificam uma base patológica distinta para a síndrome de Apert. Oldridge M, Zackai EH, McDonald-McGinn DM, et al. American Journal of Human Genetics 1999; 64(2);446-461.
- A de novo Alu resulta em neurofibromatose tipo 1. Wallace MR, Andersen LB, Saulino AM, et al. Nature 1991; 353(6347); 864-866.
- Inserção de alu-elemento em uma seqüência intron OPA1 associada com atrofia óptica autossômica dominante. Gallus GN, Cardaioli E, Rufa A, et al. Molecular Vision 2010; 16; 178-183.
- elementos móveis de alumínio: Do DNA do lixo às gemas genómicas. Dridi S. Scientifica 2012. Artigo ID 545328, 11 páginas.
- Mutação no Receptor LDL: Alu-Alu Recombinação Elimina Exões Codificando Domínios Transmembrana e Citoplasmáticos. Lehrman MA, Schneider WJ, Südhof TC, et al. Science 1985; 227(4683); 140-146.