O Tesouro De Novos Sistemas CRISPR É Promissor Para A Edição Do Genoma

23.Novembro.2023

O sistema CRISPR – Cas9 (foto) é usado para encontrar e cortar sequências específicas de DNA. Credit: Carlos Clarivan/Science Photo Library

CRISPR–Cas9 é mais conhecido como uma ferramenta de laboratório para edição de DNA, mas sua função natural é como parte do sistema imunológico que ajuda certos microrganismos a combater vírus. Agora, os pesquisadores usaram um algoritmo para classificar milhões de genomas para encontrar novos e raros tipos de sistema CRISPR que poderiam eventualmente ser adaptados em ferramentas de edição de genoma.

“Estamos simplesmente impressionados com a diversidade dos sistemas CRISPR”, afirma Feng Zhang, bioquímico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, em Cambridge, e coautor de um artigo de 23 de novembro na revista Science que descreve os sistemas[1]. “Fazer essa análise nos permite matar dois coelhos com uma cajadada só: ambos estudam biologia e também potencialmente encontram coisas úteis.”

Bactérias unicelulares e archaea usam sistemas CRISPR para se defenderem contra vírus conhecidos como bacteriófagos. Os sistemas geralmente têm duas partes: moléculas de “RNA guia” que reconhecem e se ligam ao DNA ou RNA do fago, e enzimas que cortam ou de outra forma interferem no material genético no local indicado pelo RNA guia.

Até agora, os pesquisadores identificaram seis tipos de sistema CRISPR, designados I – VI. Estes têm propriedades diferentes, incluindo o tipo de enzima que utilizam e como reconhecem, se ligam e cortam o RNA ou o DNA.

O sistema CRISPR-Cas9 comumente usado para engenharia genética é classificado como tipo II, mas as características de outros tipos de CRISPR podem torná-los úteis para outras aplicações.

▪️ Sequências semelhantes

Para encontrar diversos sistemas CRISPR na natureza, Zhang, o bioengenheiro do MIT Han Altae-Tran e seus colegas desenvolveram um algoritmo chamado FLSHclust, que analisa sequências genéticas em bancos de dados públicos.

Estas bases de dados contêm centenas de milhares de genomas de bactérias e arquéias, centenas de milhões de sequências que não foram ligadas a uma espécie específica e milhares de milhões de genes que codificam proteínas. FLSHclust encontrou genes associados ao CRISPR procurando semelhanças entre sequências genéticas e agrupando-as em cerca de 500 milhões de clusters.

Ao observar a função prevista dos clusters, os investigadores encontraram cerca de 130.000 genes associados de alguma forma ao CRISPR, 188 dos quais nunca tinham sido vistos antes, e testaram vários em laboratório para descobrir o que fazem. As suas experiências revelam várias estratégias que os sistemas CRISPR utilizam para atacar bacteriófagos, incluindo desenrolar a dupla hélice do DNA e cortar o DNA de forma a permitir a inserção ou eliminação de genes.

Eles também identificaram fragmentos de DNA “anti-CRISPR” que podem ajudar um fago a escapar das defesas bacterianas.

Entre os novos genes estava o código para um sistema CRISPR totalmente desconhecido que tem como alvo o RNA, que a equipe apelidou de tipo VII. O coautor Eugene Koonin, biólogo do Centro Nacional de Informações sobre Biotecnologia em Bethesda, Maryland, diz que é cada vez mais difícil encontrar novos sistemas CRISPR. O tipo VII – e quaisquer outros tipos que ainda não tenham sido identificados – devem ser extremamente raros na natureza, acrescenta.

“Provavelmente serão necessários esforços monumentais para encontrar o próximo tipo.”

É difícil saber se certos tipos de sistemas CRISPR são raros porque geralmente não são úteis para microrganismos ou se estão especificamente adaptados a um organismo que vive num ambiente específico, diz Christine Pourcel, microbiologista da Universidade Paris-Saclay. Ela acrescenta que, como os bancos de dados genéticos utilizados no estudo incluem fragmentos de genomas que não estão ligados a organismos específicos, será difícil estudar o papel de alguns dos novos sistemas.

▪️ Resultado impressionante

O algoritmo em si é um grande avanço, na medida em que permitirá aos investigadores procurar outros tipos de proteínas entre espécies, diz Chris Brown, bioquímico da Universidade de Otago em Dunedin, Nova Zelândia. “Estou impressionado com o que eles puderam fazer”, diz ele.

“É um tesouro para os bioquímicos”, concorda Lennart Randau, microbiologista da Universidade de Marburg, na Alemanha.

O próximo passo, diz ele, será descobrir os mecanismos através dos quais as enzimas e os sistemas funcionam e como poderão ser adaptados à engenharia biológica.

Brown diz que algumas proteínas CRISPR cortam o DNA aleatoriamente e são inúteis para a engenharia. Mas elas são tão precisas na detecção de sequências de DNA ou RNA que podem ser boas ferramentas de diagnóstico ou de pesquisa.

É muito cedo para dizer se os sistemas CRISPR tipo VII ou qualquer outro gene identificado pelo FLSHclust serão úteis para a engenharia genética, diz Altae-Tran, mas eles têm algumas propriedades que podem ser úteis. O tipo VII, por exemplo, envolve apenas alguns genes que poderiam facilmente caber em um vetor viral e ser entregues nas células.

Por outro lado, alguns dos outros sistemas que a equipe encontrou contêm RNAs-guia muito longos, potencialmente permitindo-lhes atingir sequências genéticas específicas com uma precisão sem precedentes.

[Ênfase adicionada]

Referencias

[1] Altae-Tran, H. et al. Science 382, eadi1910 (2023).

Article Google Scholar

Como A Identidade Celular É Preservada Quando As Células Se Dividem

Por Massachusetts Institute of Technology | Science Daily

16.Novembro.2023

Estudo sugere que a dobragem 3D do genoma é fundamental para a CAPACIDADE das células de ARMAZENAR e TRANSMITIR ‘MEMÓRIAS‘ de quais genes elas DEVEM expressar

Cada célula do corpo humano contém as mesmas INSTRUÇÕES genéticas, CODIFICADAS no seu DNA. No entanto, de cerca de 30.000 genes, cada célula expressa apenas os genes NECESSÁRIOS PARA se tornar uma célula nervosa, uma célula imunológica ou qualquer uma das outras centenas de tipos de células do corpo.

O DESTINO de cada célula é em grande parte determinado por modificações químicas nas proteínas que DECORAM o seu DNA; essas modificações, por sua vez, CONTROLAM quais genes são ATIVADOS ou DESATIVADOS.

No entanto, quando as células copiam o seu DNA para se dividirem, perdem metade destas modificações, deixando a questão: como é que as células MANTÊM a MEMÓRIA de que tipo de célula DEVERIAM ser?

Um novo estudo do MIT propõe um modelo teórico que ajuda a explicar COMO estas MEMÓRIAS são passadas de geração em geração quando as células se dividem.

A equipe de pesquisa sugere que dentro do núcleo de cada célula, o padrão de dobramento 3D do seu genoma determina quais partes do genoma serão marcadas por essas modificações químicas. Depois de uma célula COPIAR o seu DNA, as marcas são parcialmente perdidas, mas a dobragem 3D permite que cada célula filha RESTAURE facilmente as marcas químicas NECESSÁRIAS para MANTER a sua IDENTIDADE. E cada vez que uma célula se divide, marcas químicas permitem que uma célula restaure a dobragem 3D do seu genoma.

Desta forma, ao CONCILIAR a MEMÓRIA entre a dobragem 3D e as marcas, a MEMÓRIA pode ser PRESERVADA ao longo de centenas de divisões celulares.

“Um aspecto fundamental de como os tipos de células diferem é que diferentes genes SÃO ATIVADOS ou DESATIVADOS. É MUITO DIFÍCIL TRANSFORMAR um TIPO de célula em OUTRO porque esses estados estão MUITO COMPROMETIDOS“, diz Jeremy Owen PhD ’22, principal autor do estudo. “O que fizemos neste trabalho foi desenvolver um modelo simples que destaca características qualitativas dos SISTEMAS químicos dentro das células e COMO eles PRECISAM FUNCIONAR para tornar ESTÁVEIS as MEMÓRIAS de EXPRESSÃO genética.”

Leonid Mirny, professor do Instituto de Engenharia Médica e Ciência do MIT e do Departamento de Física, é o autor sênior do artigo, que aparece hoje na Science.
O ex-pós-doutorado do MIT Dino Osmanovi também é autor do estudo.

▪️ Mantendo a memória

Dentro do núcleo da célula, o DNA está enrolado em proteínas chamadas histonas, formando uma estrutura densamente compactada conhecida como cromatina.

As histonas podem apresentar uma variedade de modificações que ajudam a CONTROLAR QUAIS genes são EXPRESSOS em uma DETERMINADA célula. Essas modificações geram “MEMÓRIA epigenética”, que AJUDA a célula a MANTER seu TIPO celular.

No entanto, COMO essa MEMÓRIA é TRANSMITIDA às células-filhas é um MISTÉRIO.

Trabalhos anteriores do laboratório de Mirny mostraram que a estrutura 3D dos cromossomos dobrados é parcialmente determinada por essas modificações epigenéticas, ou marcas. Em particular, eles descobriram que certas regiões da cromatina, com marcas que DIZEM ÀS CÉLULAS PARA NÃO LEREM um determinado segmento de DNA, atraem-se umas às outras e formam aglomerados densos chamados heterocromatina, que são de DIFÍCIL ACESSO para a célula.

No seu novo estudo, Mirny e os seus colegas queriam responder à questão de como essas marcas epigenéticas são mantidas de geração em geração.

Eles desenvolveram um modelo computacional de um polímero com algumas regiões marcadas e viram que essas regiões marcadas colapsavam umas nas outras, formando um aglomerado denso. Depois estudaram como essas marcas são perdidas e ganhas.

Quando uma célula copia seu DNA para dividi-lo entre duas células-filhas, cada cópia recebe cerca de metade das marcas epigenéticas. A célula PRECISA então RESTAURAR as marcas PERDIDAS ANTES que o DNA seja passado para as células filhas, e a forma como os cromossomos foram dobrados serve como um modelo para onde essas marcas restantes DEVEM ir.

Essas modificações são adicionadas por enzimas ESPECIALIZADAS conhecidas como enzimas “LEITOR-ESCRITOR”. Cada uma dessas enzimas é específica para uma determinada marca e, uma vez que “LÊEM” as marcas existentes, elas “ESCREVEM” marcas adicionais em locais próximos. Se a cromatina já estiver dobrada em formato 3D, as marcas se acumularão em regiões que já tiveram modificações herdadas da célula-mãe.

“Existem várias linhas de evidência que sugerem que a propagação pode acontecer em 3D, ou seja, se houver duas partes próximas uma da outra no espaço, mesmo que não sejam adjacentes ao longo do DNA, então a propagação pode acontecer de uma para outra”, diz Owen. “É assim que a estrutura 3D pode influenciar a propagação dessas marcas”.

Este processo é análogo à propagação de doenças infecciosas, pois quanto mais contatos uma região da cromatina tiver com outras regiões, maior será a probabilidade de ela ser modificada, assim como um indivíduo suscetível a uma determinada doença terá maior probabilidade de ser infectado à medida que o número de contatos aumenta. Nesta analogia, regiões densas de heterocromatina são como cidades onde as pessoas têm muitas interacções sociais, enquanto o resto do genoma é comparável a áreas rurais escassamente povoadas.

“Isso significa essencialmente que as marcas estarão por toda parte na região densa e serão muito esparsas em qualquer lugar fora dela”, diz Mirny.

O novo modelo sugere possíveis paralelos entre memórias epigenéticas armazenadas num polímero dobrado e memórias armazenadas numa rede neural, acrescenta. Os padrões de marcas podem ser considerados análogos aos padrões de conexões formadas entre neurônios que disparam juntos em uma rede neural.

“Em termos gerais, isto sugere que, semelhante à forma como as redes neurais são capazes de PROCESSAR INFORMAÇÕES MUITO COMPLEXAS, o MECANISMO de MEMÓRIA epigenética que descrevemos pode ser capaz de PROCESSAR INFORMAÇÕES, e não apenas ARMAZENÁ-LAS”, diz ele.

▪️ Erosão epigenética

Embora este modelo parecesse oferecer uma boa explicação sobre como a memória epigenética pode ser mantida, os investigadores descobriram que, eventualmente, a ATIVIDADE da enzima LEITOR-ESCRITOR levaria a que todo o genoma fosse coberto por modificações epigenéticas. Quando alteraram o modelo para tornar a enzima mais fraca, ela não cobriu o suficiente do genoma e as memórias foram perdidas em algumas gerações de células.

Para que o modelo considere com maior precisão a preservação das marcas epigenéticas, os investigadores ACRESCENTARAM OUTRO ELEMENTO: LIMITAR a QUANTIDADE de enzima LEITOR-ESCRITOR disponível.

Eles descobriram que se a quantidade de enzima fosse mantida entre 0,1 e 1% do número de histonas (uma porcentagem baseada em estimativas da abundância real dessas enzimas), suas células modelo PODERIAM MANTER COM PRECISÃO sua MEMÓRIA epigenética por até centenas de gerações, dependendo da complexidade do padrão epigenético.

Já se sabe que as células começam a PERDER a sua MEMÓRIA epigenética à medida que ENVELHECEM, e os investigadores planeiam agora estudar se o processo descrito neste artigo pode desempenhar um papel na erosão epigenética e na perda da identidade celular. Eles também planejam modelar uma doença chamada progéria, na qual as células apresentam uma MUTAÇÃO GENÉTICA que LEVA à PERDA de heterocromatina. Pessoas com esta DOENÇA apresentam envelhecimento acelerado.

“A ligação mecanicista entre estas MUTAÇÕES e as mudanças epigenéticas que eventualmente acontecem não é bem compreendida”, diz Owen.

“Seria ótimo usar um modelo como o nosso, onde existem marcas dinâmicas, juntamente com a dinâmica do polímero, para tentar explicar isso”.

Os investigadores também esperam trabalhar com colaboradores para testar experimentalmente algumas das previsões do seu modelo, o que poderia ser feito alterando o nível das enzimas LEITOR-ESCRITOR NAS CÉLULAS VIVAS e medindo o EFEITO na MEMÓRIA epigenética.

A pesquisa foi financiada pelo Instituto Nacional de Pesquisa do Genoma Humano, pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais e pela Fundação Nacional de Ciência.

[Ênfase adicionada]

Referência do periódico: Jeremy A. Owen, Dino Osmanović, Leonid Mirny. Design principles of 3D epigenetic memory systems. Science, 2023; 382 (6672) DOI: 10.1126/science.adg3053

Dualidade No Genoma Humano

Por Max Planck Society | Medical Xpress

28.Nov.2014

Todo ser humano possui mutações cis e trans na proporção de 60:40. Na configuração cis ocorrem duas mutações em uma mesma cópia genética. A proteína correspondente fica incapacitada, mas a segunda cópia e a proteína permanecem inalteradas. Na configuração trans, entretanto, ambas as cópias do gene sofrem mutação e produzem duas proteínas danificadas. Crédito: © Art 4 Science

Os humanos não gostam de ficar sozinhos, e seus genes não são diferentes. Juntos somos mais fortes, e as duas versões de um gene – uma de cada pai – precisam uma da outra.

Cientistas do Instituto Max Planck de Genética Molecular, em Berlim, analisaram a composição genética de várias centenas de pessoas e decodificaram a informação genética nos dois conjuntos de cromossomos separadamente.

Somente neste grupo relativamente pequeno eles encontraram milhões de diferentes formas de genes. Os resultados também mostram que as mutações genéticas não ocorrem aleatoriamente nos dois conjuntos de cromossomos parentais e que estão distribuídas na mesma proporção em todos.

Em 2001, os cientistas anunciaram a decodificação bem-sucedida do primeiro genoma humano.

Desde então, milhares mais foram sequenciados. O preço de uma análise genética logo cairá abaixo da marca de 1.000 dólares. Dado esse ritmo acelerado de desenvolvimento, é fácil esquecer que a tecnologia usada lê apenas um produto misto de informação genética.

Os métodos analíticos comumente empregados não levam em conta o fato de que cada pessoa possui dois conjuntos de material genético.

“Então eles estão ignorando uma propriedade essencial do genoma humano. No entanto, é importante saber, por exemplo, como as mutações são distribuídas entre os dois conjuntos de cromossomos“, diz Margret Hoehe, do Instituto Max Planck de Genética Molecular, que realizou o estudo.

Hoehe e sua equipe desenvolveram métodos de genética molecular e bioinformática que possibilitam sequenciar os dois conjuntos de cromossomos em um ser humano separadamente. Os pesquisadores decodificaram as partes maternas e paternas do genoma em 14 pessoas e complementaram sua análise com o material genético de 372 europeus do Projeto 1000 Genomas. “Quatorze pessoas podem não parecer muito, mas dado o desafio técnico, é uma conquista sem precedentes“, diz Hoehe.

Os resultados mostram que a maioria dos genes pode ocorrer em muitas formas diferentes dentro de uma população: Em média, existem cerca de 250 formas diferentes de cada gene. Os pesquisadores encontraram cerca de quatro milhões de formas genéticas diferentes apenas nos cerca de 400 genomas que analisaram.

Esse número certamente aumentará à medida que mais genomas humanos forem examinados.

Mais de 85 por cento de todos os genes não têm uma forma predominante ocorrendo em mais da metade de todos os indivíduos. Essa enorme diversidade significa que mais da metade de todos os genes em um indivíduo, cerca de 9.000 de 17.500, ocorrem exclusivamente nessa pessoa – e, portanto, são individuais no verdadeiro sentido da palavra.

O gene, como o imaginamos, existe apenas em casos excepcionais.

“Precisamos repensar fundamentalmente a visão de genes que todo aluno aprendeu desde a época de Gregor Mendel. Além disso, a visão convencional de mutações individuais não é mais adequada.

Em vez disso, temos que considerar as duas formas de genes e sua combinação de variantes“, Hoehe explica. Ao analisar genomas, os cientistas devem, portanto, examinar cada forma de gene parental separadamente, bem como os efeitos de ambas as formas como um par.

Segundo os pesquisadores, as mutações dos genes não são distribuídas aleatoriamente entre os cromossomos parentais. Eles descobriram que 60% das mutações afetam o mesmo conjunto de cromossomos e 40% ambos os conjuntos.

Os cientistas se referem a elas como mutações cis e trans, respectivamente. Evidentemente, um organismo deve ter mais mutações cis, onde a segunda forma do gene permanece intacta.

“É incrível a precisão com que a proporção 60:40 é mantida. Ela ocorre no genoma de cada indivíduo – quase como uma fórmula mágica“, diz Hoehe.

A proporção de distribuição de 60:40 parece ser essencial para a sobrevivência.

“Esta fórmula pode nos ajudar a entender como a variabilidade genética ocorre e como isso afeta a função do gene.”

Algumas das muitas variantes que alteram o genoma também têm efeito no nível da proteína.

Os pesquisadores já identificaram um conjunto de 4.000 genes que são alterados por mutações, de modo que suas proteínas ocorrem com especial frequência em duas formas diferentes em humanos. Esses genes controlam principalmente a transmissão de sinais entre as células, o sistema imunológico e a atividade gênica.

Esse arranjo duplo de genes e proteínas tem a vantagem de permitir que a atividade dos genes seja ajustada e alterada de forma mais flexível. Ao usar a variante mais favorável, o corpo é mais capaz de se adaptar às mudanças em seus próprios processos e às condições ambientais.

Se a dualidade de genes der errado e a forma de proteína errada for usada, isso pode desencadear mecanismos patogênicos. É provavelmente por isso que esses 4.000 genes incluem muitos genes de doenças.

Esses achados mudarão a interpretação das análises genéticas e a previsão de doenças. Além disso, a medicina individualizada não pode ignorar a “dupla natureza” dos genomas humanos. “Nossas investigações no nível da proteína mostraram que 96% de todos os genes têm pelo menos 5 a 20 formas diferentes de proteínas. Isso resulta em uma tremenda diversidade individual em possíveis interações entre os genes e mostra como é assustador o desafio de desenvolver terapias personalizadas“, diz Hoehe.

Até agora, os pesquisadores estimaram o risco de doença apenas pela presença ou ausência de mutações. No entanto, há evidências de que no câncer, por exemplo, a gravidade e o curso da doença são determinados pela distribuição errada de uma mutação. A localização das mutações, portanto, precisa ser considerada no diagnóstico, previsão e prevenção de doenças no futuro.

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Mais informações: Margret R. Hoehe, George M. Church, Hans Lehrach, Thomas Kroslak, Stefanie Palczewski, Katja Nowick, Sabrina Schulz, Eun-Kyung Suk, Thomas Huebsch, Multiple haplotype-resolved genomes reveal population patterns of gene and protein diplotypes, Nature Communications, 26 November 2014

Artigo Científico Sobre Elementos Repetitivos Critica O “DNA Lixo”

Por Casey Luskin | Evolution News

Quando me envolvi pela primeira vez com o debate sobre design inteligente no final dos anos 1990 e no início dos anos 2000, uma das refutações mais comuns que ouvíamos era:

“Se a vida foi projetada, então por que mais de 90% do genoma é composto de DNA lixo?”

Os críticos pensaram que isso era uma refutação completa do DI e usaram o argumento com frequência. Mas isso foi nos primeiros dias do sequenciamento do genoma, e muito pouco se sabia na época sobre o DNA não codificador e se era realmente lixo ou tinha funções úteis e importantes.

Muitos pensadores do movimento DI acharam que seria imprudente admitir que a maior parte do genoma era lixo quando a ciência ainda não havia estabelecido que esse era de fato o caso. Nossa resposta foi, portanto, “nós realmente não sabemos o que a maior parte do genoma está fazendo. É melhor adotar uma abordagem de esperar para ver. Vamos descobrir para onde vai a pesquisa no futuro antes de concluirmos que o genoma é principalmente lixo.” É incrível ver como as coisas mudaram desde aquela época.

O estado da pesquisa

Considere o estado da pesquisa hoje, cerca de 20 anos depois.

Conforme observado brevemente ontem pelo Evolution News, um novo artigo na revista Genome Biology and Evolution – “Satellite-Like W-Elements: Repetitive, Transcribed, and Putative Mobile Genetic Factors with Potential Roles for Biology and Evolution of Schistosoma mansoni” – contém impressionantes linguagem que documenta o pensamento atual sobre o DNA-lixo e como esse pensamento mudou ao longo do tempo. O artigo começa observando o quão prevalente é o DNA não codificador:

Uma grande parte dos genomas de animais e plantas consiste em DNA não codificador. Esta parte inclui sequências repetidas em tandem e ganhou atenção porque oferece ideias interessantes sobre a biologia do genoma.

Os autores estudaram o verme do filo platelminto, Schistosoma mansoni, e observaram o DNA repetitivo no cromossomo W feminino. Eles investigaram elementos repetitivos no cromossomo W, chamados WEs, e identificaram 19 famílias diferentes de WEs, chamados WEFs.

Apenas tive sorte?

À parte, estou vagamente familiarizado com esse tipo de verme, já que esses parasitas causam bilharzia, uma doença comum e desagradável, mas tratável, que se pode contrair no sul da África depois de passar muito tempo na água parada.

Durante meus estudos de doutorado na África do Sul, passei muito tempo – quero dizer muito – caminhando com dificuldade através de rios, muitas vezes perfurando afloramentos rochosos e coletando enquanto estava de pé na água até os joelhos. Sempre tive o cuidado de fazer isso apenas na água em movimento, onde parasitas do gênero Schistosoma, me disseram, não seriam um problema. Ou tive sorte ou fiz alguma coisa certa porque nunca contraí bilharzia.

Em qualquer caso, o artigo previu que esses WEs são funcionais, pois eles “desafiam a visão clássica de que o DNA repetitivo nos cromossomos sexuais é simplesmente um subproduto da heterocromatização e fornecem mais evidências de sua importância funcional”.

Eles descobriram que esses WEFs codificam RNAs não codificantes (ncRNAs) e estão envolvidos na determinação do sexo no Schistosoma. Depois de analisar extensas evidências de função nesses WEFs, eles oferecem uma descoberta surpreendente:

Os dias de “DNA lixo” acabaram. Quando os autores seniores deste artigo estudaram genética em suas respectivas universidades, a doutrina comum era que a parte codificadora não proteica dos genomas eucarióticos consiste em sequências intercaladas “inúteis”, muitas vezes organizadas em elementos repetitivos como o satDNA. Este último pode ter se acumulado durante a evolução, por exemplo, como consequência de eventos de duplicação de genes para separar e individualizar a função do gene. Essa visão mudou fundamentalmente, e nosso estudo é o primeiro a abordar essa questão com aspectos estruturais, funcionais e evolutivos para o genoma de um parasita multicelular… Aqui, fornecemos evidências conclusivas para a expressão de WEF ao longo do desenvolvimento do esquistossomo, do miracídio aos estágios adultos.
[…]
A partir dos dados obtidos em nosso estudo e contra o pano de fundo da literatura recente, é tentador especular que mais do “DNA-lixo” do WE pode ser funcional e relevante mais do que o esperado. WEs de todos os WEFs investigados exibem uma incidência caprichosa, e são transcritos em um estágio, sexo, pareamento, gônada e padrão específico de cepa ou preferencial.

A partir de descobertas exemplares de características típicas da atividade de elementos genéticos móveis, formulamos a hipótese de que WEs podem ter um caráter móvel. Junto com achados anteriores de eventos de recombinação intraclonal de WEs, seu papel presuntivo na emergência de cromossomos sexuais, sua capacidade putativa de expressar RNAs reguladores, propomos que WEs podem influenciar a biologia de S. mansoni.

Além disso, com base na ocorrência variável de WEFs em diferentes cepas de esquistossomos, isolados e até mesmo espécies, nossa hipótese é que os WEs representam uma das fontes de variabilidade hereditária na evolução da família Schistosomatidae. [Ênfase adicionada; citações internas removidas.]

Antigamente

O que é surpreendente sobre esta passagem não é apenas que a evidência da função no DNA lixo é tão avassaladora que eles declaram “Os dias do ‘DNA lixo’ acabaram”, mas também que esses autores se lembram de um dia em que “a doutrina comum era que o parte codificadora não proteica do genoma eucariótico “consistia em” sequências ‘inúteis’, muitas vezes organizadas em elementos repetitivos “.

Eu também me lembro daqueles dias. Quando comecei o primeiro IDEA Club na UC San Diego, éramos constantemente atingidos na cabeça por aquela “doutrina comum” de que o DNA não codificado era lixo, e nos disseram que isso refutava o design inteligente. Mas os autores continuam, dizendo que “essa visão mudou fundamentalmente”.

Não vejo evidências de que esses autores apóiem o design inteligente. Mas acontece que nós, proponentes do DI, estávamos certos o tempo todo em encorajar os críticos a adotar uma abordagem cautelosa de “esperar para ver” e deixar que as evidências, em vez da “doutrina” evolucionista, determinassem qual paradigma estava correto.

Células usam extrusão em loop para manter o DNA otimizado

Por Evolution News | @DiscoveryCSC

21 de abril de 2021

A extrusão de loop é uma técnica usada em várias máquinas para reparos e manutenção. Aqui estão alguns exemplos dos primeiros dias da computação e outras tecnologias:

Os técnicos de áudio extrudiam fitas de áudio em rolos e cassetes para consertar rugas ou unir pontas quebradas.
Os datilógrafos puxavam segmentos de bobinas de tinta para endireitar dobras ou para enrolar a fita além dos pontos defeituosos.
Os operadores de computador podem girar as bobinas de fitas de computador em direções opostas para extrudar loops para inspeção ou reparo da fita, ou para realinhar a fita em torno dos postes de guia.

Essas operações podem ser feitas manualmente ou, às vezes, automatizadas. O princípio geral é que a extrusão do laço permite a inspeção e o reparo quando uma fita física apresenta um problema.

Em operações de alta velocidade com fita de computador, a extrusão de loop também era um mecanismo embutido para amortecer as diferenças de tensão entre as duas bobinas. Caso contrário, mudanças rápidas de direção quebrariam a fita. Em alguns sistemas avançados de fita de computador, os loops podem ter vários metros de comprimento. Os operadores podiam ver os loops diminuindo à medida que as bobinas paravam e começavam rapidamente.

Memórias Distantes

Esses exemplos são memórias distantes para aqueles que trabalharam em computadores e sistemas de áudio dias antes de tudo migrar para discos rígidos, SSDs, arquivos MP3 e computação em nuvem. No entanto, sempre que uma fita física precisar se mover rapidamente, a extrusão de loop é uma boa ideia. Acontece que as células já usavam a extrusão de loop muito antes que os humanos pensassem nisso.

Na Nature, Arnould et al. relatam que as células usam “Extrusão de loop como um mecanismo para a formação de focos de reparo de danos no DNA“. As quebras de fita dupla são particularmente perigosas se não forem reparadas, causando câncer e morte celular. A equipe descobriu que as máquinas moleculares se prendem ao DNA em ambos os lados dos loops de quebra e extrusão que expõem o DNA a máquinas de fosforilação necessárias para chamar outras máquinas de reparo de danos. Os loops podem ser enormes, cobrindo um milhão de pares de bases.

O reparo de quebras de fita dupla de DNA (DSBs) é essencial para salvaguardar a integridade do genoma. Quando um DSB se forma, a quinase ATM relacionada à PI3K ativa rapidamente o estabelecimento de domínios de cromatina do tamanho de uma megabase decorados com histona H2AX fosforilada (γH2AX), que agem como sementes para a formação de focos de resposta a danos no DNA. Não está claro como esses focos são rapidamente montados para estabelecer um ambiente ‘sujeito a reparos’ dentro do núcleo. Os domínios de associação topológica são uma característica fundamental da organização do genoma 3D que compartimentaliza a transcrição e a replicação, mas pouco se sabe sobre sua contribuição para os processos de reparo do DNA. Aqui, mostramos que domínios de associação topológica são unidades funcionais da resposta ao dano ao DNA e são instrumentais para o estabelecimento correto dos domínios de cromatina γH2AX-53BP1 de uma maneira que envolve a extrusão de alça mediada por coesina unilateral em ambos os lados do DSB. Propomos um modelo no qual nucleossomos contendo H2AX são rapidamente fosforilados à medida que passam ativamente pela coesina ancorada em DSB. Nosso trabalho destaca a importância da conformação cromossômica na manutenção da integridade do genoma e demonstra o estabelecimento de uma modificação da cromatina por extrusão em alça. [Enfase adicionada.]

Um princípio geral na manutenção do genoma

Na mesma edição da Nature, Leonid A. Mirny achou este caso fascinante. Isso amplifica o que ele sabia sobre a extrusão de alças na formação de cromossomos.

As células compactam ordenadamente seu espaguete de DNA de várias maneiras. Em células com núcleo, o DNA é primeiro envolvido em torno de núcleos de proteínas histonas para fazer estruturas chamadas nucleossomos, que juntas formam uma fibra de cromatina que se parece com elos em um cordão. A extrusão do loop é o processo de compactação subsequente, por meio do qual um motor molecular liga uma fibra de cromatina e a enrola pelos lados, forçando um loop progressivamente maior entre eles (Fig. 1a).

Uma olhada na Fig. 1a mostra algo muito interessante: engrenagens que fazem a extrusão. Mirny não pretende sugerir que as máquinas moleculares que fazem a extrusão de loop sejam engrenagens reais. É apenas uma maneira prática de mostrar que motores moleculares girando em direções opostas podem extrudar um loop. Aparentemente, é isso que os motores SMC fazem (“Structural Maintenance of Chromosomes”). Esta família de enzimas no núcleo, “outrora considerada como anéis passivos ou grampos – são, na verdade, motores de extrusão de loop”.

Enquanto isso, em outro lugar do Núcleo

Olhando além dos casos de reparo DSB e ação SMC, Mirny vê evidências de extrusão de alça em outra parte do núcleo. Pode até ser por um princípio geral por trás de vários processos misteriosos.

Os processos celulares costumam ser multitarefa. Então, esse mecanismo onipresente para tecer o genoma poderia ter outras funções? Durante a divisão celular, a formação de loops é a chave para compactar os cromossomos para permitir a passagem precisa do material genético para as células-filhas. Mas o papel da extrusão durante a interfase – o período durante o qual as células duplicam seu DNA e crescem em preparação para a próxima divisão – ainda não foi compreendido.

Existem várias possibilidades. Uma delas é a regulação da expressão gênica: a extrusão pode reunir elementos genômicos distantes (como potenciadores e promotores, que regulam a transcrição) que não são separados por uma barreira de CTCF. Essas barreiras também podem transformar a extrusão em rastreamento genômico. Para explicar, quando uma proteína coesina para em um CTCF, ela pode continuar enrolando DNA do outro lado, rastreando assim longas regiões genômicas ….

Revelar essa maneira inteligente de proteger os filamentos de DNA contra quebras e também de inspecioná-los rapidamente está levando a novos insights sobre os mecanismos físicos que as células usam para manter suas “fitas” genéticas. Ele observa que outro estudo mostrou bactérias capazes de se espalhar a uma taxa de 150.000 bases por minuto.

Cohesin, diz ele, não deve mais ser pensado como um anel passivo em torno do DNA. Bem poderia ser um conjunto de motores usando extrusão de loop para suas funções variadas.

Também é possível que os papéis da coesina e de outros SMCs no reparo de quebras vão além da propagação de γH2AX. A coesina há muito está envolvida no reparo do DNA, mas era considerada um anel passivo, mantendo juntos os cromossomos duplicados para reparo. As descobertas sugerem papéis mais ativos, por exemplo, em permitir a busca por uma região do DNA que pode atuar como um modelo para reparo. Além do mais, o recrutamento de SMCs para quebras e o papel central da coesina em outros processos que lidam com DSBs (como um tipo de divisão chamada meiose e regulação do gene da imunoglobulina), sugere que esses motores podem ser importantes na detecção e gerenciamento do DNA quebrado durante muitos processos celulares normais. Então, complexos SMC – tecelões mestres do genoma– pode ser responsável não apenas por fazer laços, mas também por encontrar e amarrar fibras quebradas .

Uma invenção engenhosa

Um panorama se abre para a visualização de motores no núcleo como extrusores de loop com múltiplas funções: cuidar de quebras de fita dupla, compactar o genoma, reunir promotores e realçadores e garantir a “manutenção estrutural dos cromossomos”. É difícil imaginar como qualquer célula primitiva poderia ter sobrevivido sem essas funções.

As células dominaram a extrusão de loop como uma maneira engenhosa de inspecionar, reparar e compactar o genoma. Eles dominaram a técnica de extrusão de loop muito além do que qualquer operador de computador, digitador ou engenheiro de áudio jamais imaginou. Quando se considera que o DNA não é uma fita sólida, mas uma dupla hélice com delicadas ligações de hidrogênio que mantêm os fios unidos, torna-se evidente o quão cuidadosos esses motores devem ser para realizar suas tarefas de forma rápida e perfeita quase o tempo todo.

A extrusão de loop representa outro mecanismo físico, usando motores moleculares, com os quais os humanos podem se relacionar a partir de sua própria criatividade com o manuseio de fitas – apenas os mecanismos das células são muito mais sofisticados do que qualquer coisa que os humanos já tenham feito. É mais uma maravilha que deve nos fazer admirar a inteligência e sabedoria do designer.

Pesquisadores descobrem que bloco de construção celular age como um gel, não líquido como se acreditava anteriormente

Pela Faculdade de Medicina e Odontologia da Universidade de Alberta | PhysOrg

Pesquisadores da Universidade de Alberta encontraram uma resposta para uma questão fundamental na biologia genômica que tem escapado aos cientistas desde a descoberta do DNA: dentro do núcleo de nossas células, o complexo pacote de DNA e proteínas chamado cromatina é um sólido ou um líquido?

Em um estudo publicado na revista Cell, a equipe de pesquisa, liderada pelo professor do Departamento de Oncologia Michael Hendzel e pelo colaborador Jeffrey Hansen da Colorado State University, descobriu que a cromatina não é nem sólida nem líquida, mas algo mais parecido com um gel.

Anteriormente, campos como a bioquímica operavam sob o pressuposto de que a cromatina e outros elementos do núcleo operavam em estado líquido, disse Hendzel. Esta nova compreensão das propriedades físicas da cromatina desafia essa ideia e pode levar a uma compreensão mais precisa de como o genoma é codificado e decodificado.

“Todos nós sabemos a diferença entre água e gelo, e todos nós entendemos que se você quiser amarrar duas coisas, por exemplo, você não pode fazer isso com um líquido. Você precisa de uma corda, algo que tenha resistência mecânica”, afirmou disse Hendzel, que também é membro do Instituto de Pesquisa do Câncer do Norte de Alberta (CRINA). “É disso que estamos falando aqui. No momento, todo o nosso conhecimento sobre a regulação do gene é amplamente baseado na suposição de proteínas que se movem livremente que encontram DNA e cuja acessibilidade é regulada apenas pelo bloqueio desse movimento. Portanto, esta pesquisa poderia potencialmente levar a tipos muito diferentes de maneiras de compreender a expressão do gene.“

“Outra maneira de olhar para isso é que ossos, músculos e tecido conjuntivo têm propriedades físicas muito diferentes e, se essas propriedades físicas se quebram de alguma forma, isso quase sempre está associado a doenças“, disse Alan Underhill, professor associado do Departamento de Oncologia, Membro CRINA e colaborador do estudo. “No caso da cromatina, trata-se de reduzir esse princípio ao nível do núcleo da célula, porque está tudo conectado.”

“O que estamos vendo aqui faz uma ponte entre a bioquímica do conteúdo celular e a física subjacente, permitindo-nos chegar aos princípios organizacionais – não apenas para as células, mas para todo o corpo“, acrescentou.

Todos os nossos cromossomos são feitos de cromatina, que é metade histona (ou proteínas estruturais) e metade DNA, organizados em longas cordas com estruturas semelhantes a elos de um colar de pérolas (nucleossomos). Dentro do núcleo de uma célula, a fibra da cromatina interage consigo mesma para se condensar em um cromossomo. A fibra de cromatina também suporta a expressão gênica e a replicação do DNA cromossômico. Embora haja alguma compreensão das estruturas que compõem um núcleo, como essas estruturas são organizadas e toda a extensão de como as estruturas interagem entre si não é bem conhecido.

As descobertas da equipe fazem uma ponte sobre pesquisas feitas nos últimos 50 anos em géis de cromatina produzidos em laboratório para demonstrar sua existência em células vivas, o que tem implicações importantes para interpretar suas propriedades elásticas e mecânicas, explicou Hendzel.

Por exemplo, estudos recentes mostraram que a deformabilidade da cromatina em células cancerosas é um determinante importante de sua capacidade de se espremer por pequenos espaços para viajar para fora de um tumor e metastatizar em outras partes do corpo – algo que é muito mais fácil de explicar se a cromatina for como gel em vez de um líquido. As células cancerosas fazem isso alterando quimicamente a parte histona da cromatina para torná-la menos pegajosa, disse Hendzel.

Com base na nova pesquisa, isso agora pode ser explicado como um processo que reduz a resistência do gel, tornando-o mais deformável e permitindo que as células cancerosas se espalhem pelo corpo. Definir como esse estado de gel é regulado pode levar a novas abordagens para prevenir metástases, encontrando drogas que mantêm o gel de cromatina em um estado mais rígido.

Uma melhor compreensão da cromatina também pode afetar o diagnóstico de câncer, disse Underhill.

“A textura e aparência da cromatina é algo que os patologistas têm usado para fazer avaliações clínicas em amostras de tumor de pacientes“, disse ele. “É realmente observar como a cromatina está organizada dentro do núcleo que lhes permite fazer uma compreensão desse diagnóstico clínico. Portanto, agora é um processo que podemos reformular em um novo contexto do estado material da cromatina.“

Hendzel disse estar confiante de que a descoberta do estado gelatinoso da cromatina fornecerá um princípio orientador para pesquisas futuras que buscam entender como as propriedades materiais da cromatina moldam a função do núcleo para garantir a saúde das células e dos organismos que elas constituem.

“Uma das coisas mais significativas para mim é que esta pesquisa destaca o quão limitado é o nosso conhecimento nesta área”, disse ele. “Atualmente, estamos focados em testar a crença amplamente difundida de que o tamanho físico das moléculas determina sua capacidade de acessar o DNA. Nossos experimentos em andamento sugerem que isso também pode estar incorreto, e estamos bastante entusiasmados em aprender novos mecanismos que controlam o acesso a DNA baseado nas propriedades do gel de cromatina e nos microambientes líquidos que se agrupam ao seu redor.“

“Acho que isso nos força a voltar e olhar o que está nos livros didáticos e reinterpretar muitas dessas informações no contexto de se ‘isto é um líquido’ ou ‘isto é um gel’ em termos de como o processo realmente ocorre,” acrescentou Underhill. “Isso terá um grande impacto sobre como realmente pensamos sobre as coisas que estão avançando e como projetamos experimentos e os interpretamos.“

[Ênfase adicionada]

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Mais informações: Hilmar Strickfaden et al, Condensed Chromatin Behaves like a Solid in the Mesoscale In Vitro and in Living Cells, Cell (2020). DOI: 10.1016 / j.cell.2020.11.027

InformaçãDiário: Célula

Morfogênese: Codificação Para Forma

Evolution News @DiscoveryCSC

Organismos são hierarquias de formas. As bactérias formam hastes, espirais e esferas. Os eucariotos unicelulares constroem diversas organelas por dentro e assumem uma forma característica por fora (compare Stentor, Paramecium e Amoeba ). Pense em todas as variedades de formas em organismos multicelulares de Volvox(colônia de organismos unicelulares aquáticos [algas]) a eucariotos complexos – hidra, rotíferos, planários na extremidade microscópica; caranguejos, polvos e besouros na faixa intermediária inferior; castores, rosas e humanos na faixa média superior; baleias, sequóias e braquiossauros na extremidade grande. As plantas geram caules, folhas e flores. Os animais desenvolvem tecidos que se organizam em órgãos que se combinam nos planos do corpo. Como todas essas formas 3-D emergem de um código linear? Esse é o enigma da morfogênese.

Totalidades Funcionais

Os biólogos sabem sobre códigos genéticos para moléculas muito bem agora, mas onde está o software para anatomia? O modismo recente para impressão 3D é rude em comparação. Essas máquinas podem produzir uma forma a partir de um código linear, mas elas simplesmente constroem um objeto estático, uma camada de cada vez, usando material homogêneo. A morfogênese requer reunir diversos materiais para construir máquinas em movimento, como corações. Elas devem continuar funcionando em todos os níveis enquanto estão em conexão com outras máquinas móveis durante a construção. O produto final é o que Douglas Axe chama de “todo funcional” ( Inegável , p. 143).

Todos funcionais em biologia são compostos de componentes e subcomponentes funcionais organizados hierarquicamente e constituintes elementares que não funcionam apenas no espaço tridimensional, mas na quarta dimensão do tempo. Elas também possuem a notável propriedade de auto-reparo.

Michael Levin, diretor do Allen Discovery Center na Tufts University e Associate Faculty no Instituto Wyss da Harvard University, está perplexo com a origem das formas biológicas. Ele escreve em The Scientist:

Embora os genomas codifiquem previsivelmente as proteínas presentes nas células, uma lista simples de partes moleculares não nos diz o suficiente sobre o layout anatômico ou o potencial regenerativo do corpo que as células trabalharão para construir. Os genomas não são um projeto para a anatomia e a edição do genoma é fundamentalmente limitada pelo fato de que é muito difícil inferir quais genes ajustar e como atingir os resultados anatômicos complexos desejados. Da mesma forma, as células-tronco geram os blocos de construção dos órgãos, mas a capacidade de organizar tipos específicos de células em uma mão ou olho humano funcional esteve e estará além do alcance da manipulação direta por muito tempo. [Enfase adicionada.]

No filme Terminator 2, o assassino do futuro é esmagado em mil fragmentos de metal líquido e, em seguida, se reconstitui para continuar sua missão. É uma peça de efeitos especiais muito inteligente, mas quando você pensa sobre o problema, como cada fragmento poderia saber para onde ir? E, no entanto, algo assim acontece em organismos que são capazes de se regenerar, como hidras, planárias, axolotes e algumas outras espécies. Algo assim também ocorre durante o desenvolvimento embrionário.

Após várias rodadas de divisão celular de clones, começa a diversificação e a forma começa a surgir. Cada célula ganha um papel e um destino para cumprir esse papel. Veja o videoclipe da Illustra Media sobre o desenvolvimento embrionário de pintinhos:

Além do DNA

No desenvolvimento embrionário humano, algo além do DNA diz à massa em crescimento quantas células do fígado são necessárias, como elas devem se organizar na forma familiar do fígado, quantos vasos sanguíneos são necessários para suprir o fígado. Além disso, algo regula como essas formas coordenam seu crescimento desde o bebê até o adulto. O fígado sempre termina no tamanho e posição adequados sob as costelas do lado direito, com as conexões certas com outros órgãos. Todos os órgãos e sistemas seguem esse processo direcionado a um objetivo.

Alcançar esse resultado requer muito mais informações do que o código do DNA possui apenas para as enzimas hepáticas, por mais complexo que seja. Onde está o “software de biologia – as regras que permitem grande plasticidade em como os coletivos de células geram anatomias confiáveis”?

Responder à questão exigirá pesquisas interdisciplinares, ressalta Levin. Os cientistas apenas deram alguns passos de bebê para resolver esse enorme quebra-cabeça. Tudo o que eles podem fazer atualmente é tentar dividir a questão em subquestões administráveis.

Mas os pesquisadores que trabalham nas áreas de morfologia sintética e biofísica regenerativa estão começando a entender as regras que regem a plasticidade do crescimento e reparo de órgãos. Em vez de tarefas de microgerenciamento que são complexas demais para serem implementadas diretamente no nível celular ou molecular, e se resolvêssemos o mistério de como grupos de células cooperam para construir corpos multicelulares específicos durante a embriogênese e a regeneração? Talvez então pudéssemos descobrir como motivar os coletivos de células a construir quaisquer características anatômicas que desejamos.

Até agora, eles conseguiram apenas que embriões de sapo desenvolvessem estranhas formas sintéticas por meio da engenharia genética. É um começo emocionante, pensa Levin, mas o trabalho lembra crianças em um parquinho.

Essas células reiniciaram sua multicelularidade em uma nova forma, sem alterações genômicas. Isso representa uma caixa de areia extremamente emocionante na qual os bioengenheiros podem atuar, com o objetivo de decodificar a lógica do controle anatômico e comportamental, bem como compreender a plasticidade das células e a relação dos genomas com as anatomias.

Uma revolução biológica

Este trabalho pode representar o início de uma revolução biológica tão significativa quanto a revolução genômica, quando a genética passou das moléculas aos códigos. Ele representa o próximo passo: “elucidar os cálculos que as células e grupos de células realizam para orquestrar a construção de tecidos e órgãos em uma escala de corpo inteiro”. É como se os bioquímicos tivessem entendido como os instrumentos musicais são feitos e agora quisessem ver como a música é executada e como a música é derivada de uma partitura codificada por símbolos silenciosos em uma página. Mas eles estão tentando fazer tudo isso sem o protagonista: o compositor!

A próxima geração de avanços nesta área de pesquisa surgirá do fluxo de ideias entre cientistas da computação e biólogos. Desbloquear todo o potencial da medicina regenerativa exigirá que a biologia faça a jornada que a ciência da computação já percorreu , desde o foco no hardware – as proteínas e vias bioquímicas que realizam operações celulares – até o software fisiológico que permite que redes de células adquiram, armazenem e agir com base nas informações sobre a geometria do órgão e, na verdade, do corpo inteiro.

No mundo da informática, essa transição de reconectar o hardware para a reprogramação do fluxo de informações, alterando as entradas, deu origem à revolução da tecnologia da informação. Essa mudança de perspectiva pode transformar a biologia, permitindo que os cientistas alcancem as visões ainda futurísticas da medicina regenerativa.

O esforço também pode transformar a engenharia, diz ele. Os engenheiros podem aprender como os organismos constroem estruturas que ainda funcionam em ambientes ruidosos e podem permanecer resistentes a perturbações.

Mesmo quando seu grupo faz a engenharia genética de embriões de rã, diz Levin, os embriões tendem a encontrar o caminho de volta à forma desejada, como se um processo de monitoramento comparasse constantemente suas atividades com a forma ideal. Como essas informações são armazenadas e comunicadas?

O notável não é simplesmente que o crescimento começa após uma lesão e que vários tipos de células são gerados, mas que esses corpos crescerão e se remodelarão até que uma anatomia correta esteja completa, e então eles param. Como o sistema identifica a morfologia alvo correta, orquestra os comportamentos individuais das células para chegar lá e determina quando o trabalho está concluído? Como ele comunica essas informações para controlar as atividades celulares subjacentes?

Essas são questões estimulantes para a comunidade de DIs considerar. O DI compreende previsão, controle e comunicação.

O darwinismo está à altura da tarefa?

Levin tenta trazer a evolução para o cenário.

A evolução explora três modalidades para atingir essa homeostase anatômica: gradientes bioquímicos, circuitos bioelétricos e forças biofísicas. Eles interagem para permitir que a mesma forma em grande escala surja, apesar de perturbações significativas.

Mas isso não é evolução darwiniana de forma alguma! Um processo físico sem sentido e sem objetivo não se importa com o que acontece. Não pode explorar. Não pode alcançar. Não pode ativar. Essa afirmação é como colocar um adesivo de Darwin em um maquinário de design inteligente. Muito menos pode o darwinismo sinalizar, criar e operar redes elétricas, tomar decisões ou regular qualquer coisa.

Observar não é explicar. O grupo de Levin pode observar o que acontece, mas ele apela a causas inadequadas para explicá-las. A equipe pode ajustar os processos de trabalho para obter resultados modificados, mas não pode explicar seu surgimento. Eles podem imitá-los, mas não originá-los. Eles podem compará-los a computadores e softwares projetados de forma inteligente, mas não levam em conta as semelhanças apelando para causas opostas.

A imagem emergente neste campo é que o software anatômico é altamente modular – uma propriedade-chave que os cientistas da computação exploram como sub – rotinas e que muito provavelmente contribui em grande parte para a evolução biológica e a plasticidade evolutiva.

“Evolucionabilidade” e “plasticidade evolutiva” são termos altamente enganosos. O que Levin significa é a capacidade de aprender e se adaptar às circunstâncias. Isso requer design. E por que a plasticidade deve ser evolutiva?Pegue a palavra eletrônica e reconheça o conceito como robustez. Isso também é design. A tolerância a perturbações, com alguma margem de manobra para mudanças, é uma boa estratégia de projeto. As composições musicais também permitem alguma plasticidade, como quando o compositor marca “Ad lib” para uma improvisação ou dá espaço para uma cadência. As obras também podem ser modificadas para conjuntos diferentes, como quando uma obra orquestral é transcrita para orquestra de câmara ou piano.

Aqui está outro exemplo de fixação de um adesivo “Feito por Darwin” em conceitos de design:

Na biomedicina molecular, ainda estamos focados principalmente na manipulação do hardware celular – as proteínas que cada célula pode explorar. Mas a evolução garantiu que os coletivos celulares usem essa máquina versátil para processar informações de maneira flexível e implementar uma ampla gama de resultados de formato corporal em grande escala. Este é o software da biologia: a memória, a plasticidade e a reprogramação das redes de controle morfogenético.

Tal afirmação não faz sentido. A evolução não consegue entender as máquinas ou garantir que as células as usem.

Design Science está à altura da tarefa?

Somente a ciência do design tem a estrutura conceitual para entender este “novo tipo de epigenética, informação que é armazenada em um meio diferente de sequências de DNA e cromatina”. Tecnologia da Informação (TI) é design science por definição. Levin essencialmente repete a falácia de Darwin de usar a seleção artificial como um análogo da seleção natural, exceto que, na morfogênese, inferimos a atividade de uma inteligência projetada a partir de seus efeitos e de nossa experiência uniforme com a capacidade da mente de organizar componentes para atingir alvos de maneira confiável.

O progresso será lento se o DI assumir a liderança na pesquisa em morfogênese? Certamente não. Os cientistas do design podem continuar o trabalho com embriões de rã e engenharia genética. Na verdade, eles provavelmente trabalharão de forma mais produtiva, sem o peso da bagagem do antigo mito vitoriano de Darwin.

O acaso não é uma causa; inteligência é. A inteligência pode conceber um plano, exercer a previsão para identificar os requisitos e, então, executar o plano programando os componentes para cumprir o plano. Na vanguarda desta grande revolução biológica, é hora de reconhecer que o software anatômico é um design inteligente em todos os seus aspectos.

Neurocientistas descobrem um mecanismo molecular que permite a formação de memórias

pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts | Medical Express

Um novo estudo do MIT revela que a codificação de memórias em células engramadas é controlada pela remodelação em larga escala das proteínas e do DNA que compõem a cromatina das células. Nesta imagem do cérebro, o hipocampo é a grande estrutura amarela próxima ao topo. Verde indica neurônios que foram ativados na formação da memória; o vermelho mostra os neurônios que foram ativados na recuperação da memória; o azul mostra o DNA das células; e o amarelo mostra os neurônios que foram ativados tanto na formação da memória quanto na evocação e, portanto, são considerados neurônios engramas. Crédito: MIT

Quando o cérebro forma uma memória de uma nova experiência, os neurônios chamados células engramas codificam os detalhes da memória e são reativados posteriormente sempre que a recordamos. Um novo estudo do MIT revela que esse processo é controlado pela remodelação em larga escala da cromatina das células.

Essa remodelação, que permite que genes específicos envolvidos no armazenamento de memórias se tornem mais ativos, ocorre em vários estágios espalhados por vários dias.

Mudanças na densidade e no arranjo da cromatina, uma estrutura altamente comprimida que consiste em DNA e proteínas chamadas histonas, podem controlar o quão ativos genes específicos estão dentro de uma determinada célula.

“Este artigo é o primeiro a realmente revelar esse processo muito misterioso de como diferentes ondas de genes são ativadas e qual é o mecanismo epigenético subjacente a essas diferentes ondas de expressão gênica“, disse Li-Huei Tsai, diretor do Instituto Picower do MIT para Aprendizagem e memória e o autor sênior do estudo.

Asaf Marco, um pós-doutorado do MIT, é o autor principal do artigo, que despontou hoje na Nature Neuroscience.

Controle epigenômico

As células engrama são encontradas no hipocampo, bem como em outras partes do cérebro. Muitos estudos recentes mostraram que essas células formam redes que estão associadas a memórias específicas, e essas redes são ativadas quando essa memória é recuperada. No entanto, os mecanismos moleculares subjacentes à codificação e recuperação dessas memórias não são bem compreendidos.

Os neurocientistas sabem que, no primeiro estágio da formação da memória, os genes conhecidos como genes iniciais imediatos são ativados nas células engramadas, mas esses genes logo retornam aos níveis de atividade normais. A equipe do MIT queria explorar o que acontece mais tarde no processo para coordenar o armazenamento de memórias de longo prazo.

“A formação e preservação da memória é um evento muito delicado e coordenado que se espalha por horas e dias, e pode durar até meses – não temos certeza”, diz Marco. “Durante esse processo, existem algumas ondas de expressão gênica e síntese de proteínas que tornam as conexões entre os neurônios mais fortes e mais rápidas.“

Tsai e Marco levantaram a hipótese de que essas ondas poderiam ser controladas por modificações epigenômicas, que são alterações químicas da cromatina que controlam se um determinado gene está acessível ou não. Estudos anteriores do laboratório de Tsai mostraram que, quando as enzimas que tornam a cromatina inacessível estão muito ativas, podem interferir na capacidade de formar novas memórias.

Para estudar as mudanças epigenômicas que ocorrem em células de engramas individuais ao longo do tempo, os pesquisadores usaram camundongos geneticamente modificados nos quais podem marcar células de engramas permanentemente no hipocampo com uma proteína fluorescente quando uma memória é formada. Esses ratos receberam um leve choque nas patas, que aprenderam a associar à gaiola em que receberam o choque.

Quando essa memória se forma, as células do hipocampo que codificam a memória começam a produzir um marcador de proteína fluorescente amarelo.

“Então, podemos rastrear esses neurônios para sempre e podemos separá-los e perguntar o que acontece com eles uma hora após o choque no pé, o que acontece cinco dias depois e o que acontece quando esses neurônios são reativados durante a recuperação da memória“, diz Marco.

Logo no primeiro estágio, logo após a formação da memória, os pesquisadores descobriram que muitas regiões do DNA sofrem modificações na cromatina.

Nessas regiões, a cromatina se torna mais frouxa, permitindo que o DNA se torne mais acessível. Para surpresa dos pesquisadores, quase todas essas regiões estavam em trechos de DNA onde nenhum gene foi encontrado. Essas regiões contêm sequências não codificantes chamadas intensificadores, que interagem com os genes para ajudar a ativá-los. Os pesquisadores também descobriram que, neste estágio inicial, as modificações da cromatina não tiveram nenhum efeito na expressão do gene.

Os pesquisadores então analisaram células engrama cinco dias após a formação da memória. Eles descobriram que à medida que as memórias foram consolidadas, ou fortalecidas, ao longo desses cinco dias, a estrutura 3-D da cromatina em torno dos realçadores mudou, trazendo os realçadores para mais perto de seus genes-alvo. Isso ainda não ativa esses genes, mas os prepara para serem expressos quando a memória é recuperada.

Em seguida, os pesquisadores colocaram alguns dos ratos de volta na câmara onde receberam o choque nas patas, reativando a memória de medo. Em células engramadas desses camundongos, os pesquisadores descobriram que os estimuladores preparados interagiam frequentemente com seus genes-alvo, levando a um aumento na expressão desses genes.

Muitos dos genes ativados durante a recuperação da memória estão envolvidos na promoção da síntese de proteínas nas sinapses, ajudando os neurônios a fortalecer suas conexões com outros neurônios. Os pesquisadores também descobriram que os dendritos dos neurônios – extensões ramificadas que recebem informações de outros neurônios – desenvolveram mais espinhas, oferecendo mais evidências de que suas conexões foram fortalecidas.

Preparado para expressão

O estudo é o primeiro a mostrar que a formação da memória é impulsionada por intensificadores epigenomicamente primários para estimular a expressão do gene quando uma memória é relembrada, diz Marco.

“Este é o primeiro trabalho que mostra no nível molecular como o epigenoma pode ser preparado para ganhar acessibilidade. Primeiro, você torna os intensificadores mais acessíveis, mas a acessibilidade por si só não é suficiente. Você precisa dessas regiões para interagir fisicamente com o genes, que é a segunda fase ”, afirma. “Agora estamos percebendo que a arquitetura do genoma 3-D desempenha um papel muito significativo na orquestração da expressão do gene.“

Os pesquisadores não exploraram quanto tempo essas modificações epigenômicas duram, mas Marco diz que acredita que elas podem permanecer por semanas ou até meses. Ele agora espera estudar como a cromatina das células do engrama é afetada pela doença de Alzheimer. Trabalhos anteriores do laboratório de Tsai mostraram que o tratamento de um modelo de rato com Alzheimer com um inibidor de HDAC, uma droga que ajuda a reabrir a cromatina inacessível , pode ajudar a restaurar as memórias perdidas.

[**Obs: ênfase adicionada]

Mais informações: Mapping the epigenomic and transcriptomic interplay during memory formation and recall in the hippocampal engram ensemble, Nature Neuroscience(2020). DOI: 10.1038/s41593-020-00717-0 , www.nature.com/articles/s41593-020-00717-0

Jornal referência: Nature Neuroscience

Mutação que leva a mudanças biológicas pode desempenhar um papel no câncer

por Marie Moucarry, Universidade McGill – Medical Express

Um novo estudo do Goodman Cancer Research Center (GCRC) da McGill University revelou mudanças biológicas significativas em camundongos que expressam uma forma mutante ativada do receptor de estrogênio alfa (ER alfa), lançando uma nova luz sobre o papel deste importante gene no desenvolvimento e no câncer.

Superexpresso em cerca de 70% dos casos de câncer de mama, o receptor de estrogênio é frequentemente associado à resistência à terapia do câncer de mama quando sofre mutação e, portanto, pode contribuir para resultados ruins para os pacientes. Para entender como os efeitos biológicos das mutações ER alfa podem levar ao câncer, os pesquisadores do GCRC geraram o primeiro modelo de camundongo expressando uma dessas mutações no início do desenvolvimento, trazendo uma nova visão sobre seus efeitos no desenvolvimento dos órgãos sexuais.

A pesquisa, liderada pelo Dr. William Muller no GCRC e publicada em Genes and Development, revela defeitos dramáticos de desenvolvimento nos órgãos reprodutivos, glândulas mamárias e ossos de ratos que expressam mutações no receptor de estrogênio. A mutação não apenas causou crescimento atrofiado e desenvolvimento sexual anormal em camundongos fêmeas e machos, mas também desencadeou mudanças físicas e genéticas em camundongos machos que os fizeram fenotipicamente se assemelhar a camundongos fêmeas.

“A feminização observada dos ratos machos é consistente com a noção de longa data de que a sinalização do estrogênio é essencial na diferenciação sexual dos tratos reprodutivos em ambos os sexos“, observa o Prof. Muller. “A compreensão dos efeitos biológicos desta mutação no contexto da mama nos permitirá desenvolver melhores abordagens terapêuticas para pacientes com câncer no futuro.“

Essas novas descobertas do GCRC apóiam a ciência existente que revela mudanças críticas no desenvolvimento e no comportamento em camundongos machos com modificação genética do ER alfa. Patologicamente, os ratos machos exibem uma atrofia dramática dos testículos e vesículas seminais, bem como uma ausência das glândulas prepuciais, ambas inerentes ao comportamento sexual e de dominância em ratos (Bronson e Caroom 1971; Bronson e Marsden 1973).

Biologia do desenvolvimento lançando luz sobre o câncer?

As mudanças no desenvolvimento observadas nesses camundongos podem muito bem estar relacionadas a aspectos específicos do câncer. Curiosamente, ESR1 (o gene humano que corresponde ao ER alfa) foi encontrado para ser mutado em alguns cânceres de endométrio e hiperestrogenismo e pode ocorrer congenitamente em homens e está ligado ao câncer de próstata, bem como outros tipos de patologia. Na verdade, a biologia do desenvolvimento é importante no estudo do câncer e entender como os genes afetam o desenvolvimento de certos órgãos e pode nos dizer muito sobre como esses mesmos genes podem causar ou contribuir para o câncer.

“Nossas observações fornecem percepções críticas sobre o papel do receptor de estrogênio durante o desenvolvimento“, diz Alexandra Simond, uma estudante de graduação da Universidade McGill e primeira autora do trabalho publicado. “Nossas descobertas foram definitivamente inesperadas, mas acreditamos que ajudarão a fortalecer nossa compreensão do papel do ER alfa no desenvolvimento e no câncer, o que, em última análise, levará a um tratamento personalizado melhor para aqueles que precisam dele.“

O Prof. Muller reconhece o apoio que recebeu de agências de financiamento, incluindo os Institutos Canadenses de Pesquisa em Saúde e o Programa de Cátedras de Pesquisa do Canadá, e a inovação das principais plataformas tecnológicas do GCRC sem as quais esta pesquisa não teria sido possível.

Este estudo do GCRC não apenas fornece uma compreensão mais profunda da funcionalidade chave do receptor de estrogênio durante o desenvolvimento, mas também lança uma nova luz sobre a *evolução [ *o viés evolucionista de praxe] do fenótipo de certos ratos, o que é muito impressionante. Mais pesquisas serão necessárias para ligar mais definitivamente os fenótipos observados com aspectos específicos da mama e, potencialmente, outros cânceres em que está mutado.

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Mais informações: Alexandra M. Simond et al. Point-activated ESR1Y541S has a dramatic effect on the development of sexually dimorphic organs, Genes & Development (2020). DOI: 10.1101/gad.339424.120

Informação do diário: Genes & Development

Os cientistas estão tentando decifrar a linguagem escondida em nossos corpos

By FETFX [Jan – 2018]

Sim, o DNA tem uma linguagem própria e os cientistas querem entendê-lo para aplicar soluções terapêuticas personalizadas com base na análise dos biomarcadores genômicos do indivíduo e sua regulação.

O DNA é como uma linguagem, com seu próprio alfabeto e gramática. E os cientistas do MRG-GRammar querem desvendar suas regras.

Sobre o que estamos conversando? Um grupo de pesquisadores sob a bandeira do projeto MRG-GRammar (Massive Reverse Genomics to Decipher Gene Regulatory Grammar), um projeto europeu financiado sob Future and Emerging Technologies in Horizon 2020, está empenhado em compreender a linguagem do DNA, combinando biologia sintética com tecnologias inovadoras de impressão de DNA e bioinformática. A compreensão dessa linguagem será útil para implementar um sistema de saúde adequado às necessidades de cada pessoa, para a detecção de diferentes tipos de câncer, como o melanoma, por exemplo, e de forma mais geral para encontrar a origem de muitas doenças.

Como para qualquer outra língua, a linguagem do DNA é composta por um alfabeto e uma gramática. Quatro letras (pares de bases) constituem o alfabeto genético: A, T, G, C; e um gene nada mais é do que uma palavra, que é uma sequência daquelas letras como TCGATTAGG…

Quando o Projeto Genoma Humano terminou em 2003, os cientistas determinaram a sequência de pareamento de bases de nucleotídeos no DNA do Homo sapiens. Deu-nos um livro para ler, mas embora possamos ler as letras e reconhecer muitas palavras de seu vocabulário, não conhecemos regras gramaticais suficientes para sermos capazes de compreender o significado de todo o livro.

Compreender a regulação do gene pode ter impactos em campos além da medicina, como a agricultura. Créditos: via flickr.com.

Para administrar essa complexidade, os pesquisadores do projeto MRG-GRammar estreitaram seus interesses, focando nas regras que regulam a expressão gênica, as proteínas finais feitas pelo DNA. Na verdade, a atividade regulatória do genoma, que determina como os genes são expressos, é essencial para entender que tipo de consequências uma mutação pode trazer nas regiões regulatórias do genoma, por exemplo, um câncer de melanoma. Além da saúde, essa compreensão da regulação do gene poderia ser usada para uma melhor produção de biocombustíveis, na agricultura e em outros campos industriais.

“Se pudéssemos entender o que está errado e por quê, por exemplo, com as células, capturando e depois mudando as regras que as instruem a reagir de uma determinada forma, este seria um incrível passo à frente para a medicina”, diz Sarah Goldberg, pesquisador do Technion – Instituto de Tecnologia de Israel em Haifa, um dos cientistas envolvidos no projeto.

Em particular, a estratégia seguida pelos membros do projeto consiste em gerar novos tipos de conjuntos de dados biológicos que exploram sistematicamente todas as combinações regulatórias possíveis, construindo uma base de conhecimento a partir da qual o algoritmo regulatório pode ser derivado. Partindo desse algoritmo, seria possível não apenas decifrar o código regulatório natural existente, mas também interpretar variações que levassem a uma compreensão profundamente mais profunda das origens de muitas doenças.

O progresso promissor foi documentado por uma publicação na Nature Communications.

A equipe MRG-Grammar também colaborou com a artista Anna Dumitriu no âmbito do FEAT, um projeto FET que explora a arte como um novo canal de comunicação científica. O resultado da colaboração é a obra de Dumitiu “Make Do and Mend”, que o artista realizou editando o genoma de uma bactéria E. coli com a revolucionária técnica CRISPR. O objetivo desse esforço é aumentar a conscientização sobre a resistência aos antibióticos desenvolvida por bactérias, um dos maiores desafios da medicina moderna.

O projeto MRG-GRammar de € 4M envolveu sete parceiros e é coordenado pelo Technion – Instituto de Tecnologia de Israel em Haifa, Israel.

Imagem da capa: via pixabay.com

Variação no DNA ‘lixo’ leva a problemas

By Science Daily [Ago / 2016]

Embora as variantes estejam espalhadas por todo o genoma, os cientistas têm ignorado amplamente os trechos do código genético repetitivo, antes conhecidos com desprezo como DNA “lixo” em sua busca por diferenças que influenciam a saúde e as doenças humanas.

Um novo estudo mostra que a variação nessas regiões repetitivas negligenciadas também pode afetar a saúde humana. Essas regiões podem afetar a estabilidade do genoma e o funcionamento adequado dos cromossomos que empacotam o material genético, levando a um maior risco de câncer, defeitos congênitos e infertilidade. Os resultados aparecem online na revista Genome Research.

“A variação não é importante apenas para o funcionamento dos genes e proteínas, mas também pode ocorrer nas porções não codificantes e repetitivas do genoma“, disse Beth A. Sullivan, Ph.D. sênior, autora do estudo e professora associada de biologia molecular e microbiologia na Duke University School of Medicine.

“O que descobrimos neste estudo é provavelmente a ponta do iceberg“, disse Sullivan. “Pode haver todos os tipos de consequências funcionais em ter variação dentro da porção complexa e repetitiva do genoma que ainda não conhecemos.”

Embora a sequência do genoma humano tenha sido declarada completa há mais de uma década, ela mantém várias lacunas gritantes, especialmente nas sequências repetitivas em torno dos centrômeros, os laços tortuosos que mantêm um par de cromossomos juntos em uma forma de X flexível e coordenam seus movimentos durante a divisão celular.

Essas sequências de centrômero – chamadas de DNA de satélite – são compostas por blocos de exatamente 171 A’s, C’s, T’s e G’s, repetidos continuamente por milhões de pares de bases. Os pesquisadores certa vez acreditaram que cada cromossomo continha um único trecho desse DNA satélite, que determinava onde seu centrômero residiria. Mas, há alguns anos, o laboratório de Sullivan descobriu que muitos cromossomos humanos possuíam mais de uma dessas regiões e, dependendo do indivíduo, o centrômero poderia se formar em qualquer um dos locais.

Neste estudo, Sullivan queria ver como o cromossomo decide onde colocar seu centrômero e se um local constrói um centrômero “melhor” do que o outro. Dos 23 pares de cromossomos humanos, ela se concentrou no cromossomo 17, que é estruturalmente reorganizado ou mutado em muitos tipos de câncer e defeitos de nascença.

Primeiro, Sullivan e sua equipe combinaram ensaios moleculares e visuais, estendendo o cromossomo em longas fibras de cromatina que foram pintadas com sondas fluorescentes para mapear a variação na sequência genômica nas duas regiões diferentes do DNA satélite. Em seguida, eles examinaram cada região satélite para a presença de proteínas necessárias para construir um centrômero totalmente funcional.

Os pesquisadores descobriram que a variação genômica em uma dessas regiões de DNA satélite – seja no tamanho ou na sequência de suas unidades repetidas de 171 pares de bases – determina em última instância se o centrômero é construído no local primário ou no local alternativo.

Quando interrogaram amostras de um banco de DNA humano, eles descobriram que cerca de 70% dos humanos têm pouca variação genômica no local primário, enquanto 30% têm diferentes graus de variação. Na maioria das vezes, os centrômeros não são construídos no sítio principal se contiverem variação e, em vez disso, são montados no sítio de “backup” próximo. Mas quando isso acontece, o resultado pode ser um centrômero disfuncional que é arquitetonicamente defeituoso e um cromossomo instável que pode estar presente em muitas ou poucas cópias.

“É extremamente fascinante pensar que há tantas pessoas andando por aí que são essencialmente mosaicos de centrômero“, disse Sullivan. “Um de seus centrômeros, em um de seus cromossomos, tem o potencial de ser perigosamente instável e pode afetar sua capacidade de reprodução ou predispor ao câncer.”

No futuro, Sullivan planeja investigar quão grande é o risco que as regiões satélites variantes representam para aqueles que as carregam, e possivelmente desenvolver uma maneira de usar essas sequências como biomarcadores para os defeitos cromossômicos que podem levar à doença.

[*Obs: ênfases adicionadas]

Fonte da história:

Materials provided by Duke University. Note: Content may be edited for style and length.

Journal Reference:

Megan E Aldrup-MacDonald, Molly E Kuo, Lori L Sullivan, Kimberline Chew, Beth A Sullivan. Genomic variation within alpha satellite DNA influences centromere location on human chromosomes with metastable epialleles. Genome Research, 2016; gr.206706.116 DOI:10.1101/gr.206706.116

Características Genômicas Não São Distribuídas Esporadicamente

By Cornelius Hunter – Darwins Predictions

Um conceito fundamental na teoria da evolução é a herança de variações genéticas por meio de linhas de sangue.(Forbes) Essa chamada transmissão vertical de material hereditário significa que os genes, e os genomas em geral, devem cair em um padrão de descendência comum, consistente com a árvore evolutiva. Na verdade, esses genes são freqüentemente citados como uma confirmação da evolução. Mas, à medida que mais dados genômicos se tornam disponíveis, um número cada vez maior de genes foi descoberto que não se encaixam no padrão de descendência comum porque estão ausentes em muitas espécies intermediárias. (Andersson e Roger 2002; Andersson e Roger 2003; Andersson 2005; Andersson, Sarchfield e Roger 2005; Andersson 2006; Andersson et. Al. 2006; Andersson 2009; Andersson 2011; Haegeman, Jones e Danchin; Katz; Keeling and Palmer; Richards et. al 2006a; Richards et. al 2006b; Takishita et. al .; Wolf et. al.) Este tipo de padrão também é encontrado para características de arquitetura do genoma que são esporadicamente distribuídas e, em seguida, surpreendentemente semelhantes em espécies distantes. Na verdade, essas semelhanças não ocorrem apenas duas vezes, em duas espécies distantes.Freqüentemente, ocorrem repetidamente em uma variedade de espécies distantes. Isso é tão difundido que os evolucionistas chamaram o fenômeno de “evolução recorrente”.Como um artigo explica, a recente explosão de dados do genoma revela “características genômicas surpreendentemente semelhantes em linhagens diferentes”. Além disso, existem “características cuja distribuição está ‘espalhada’ pela árvore evolutiva, indicando evolução independente repetida de características genômicas semelhantes em linhagens diferentes.” (Maeso, Roy e Irimia) Um exemplo é a estranha semelhança entre o genoma canguru e o humano. Como explicou um evolucionista: “Existem algumas diferenças, temos um pouco mais disso, um pouco menos daquilo, mas eles são os mesmos genes e muitos deles estão na mesma ordem. Nós pensamos que eles seriam completamente embaralhados, mas não estão.” (Taylor) Agora é bem reconhecido que esta previsão falhou: “A transmissão vertical de material hereditário, uma pedra angular da teoria da evolução de Darwin, é inadequada para descrever a evolução dos eucariotos, particularmente dos eucariotos microbianos.” (Katz) E esses padrões esporádicos e irregulares requerem cenários complicados e ad hoc para explicar sua origem. Como um artigo explicou, a evolução de um determinado conjunto de genes “revela uma história complexa de eventos de transferência horizontal de genes”. (Wolf et. Al.) O resultado é que qualquer padrão pode ser explicado organizando-se os mecanismos corretos. Características que são compartilhadas entre espécies semelhantes podem ser interpretadas como “o resultado de uma história evolutiva comum”, e características que não são podem ser interpretadas como “o resultado de forças evolutivas comuns”. (Maeso, Roy e Irimia) Essas forças evolutivas comuns são complexas e devem ter sido criadas pela evolução. Eles podem incluir transferência gênica horizontal (ou lateral), perda gênica, fusão gênica e até mesmo forças desconhecidas. Por exemplo, um estudo concluiu que a melhor explicação para o padrão de um determinado gene era que ele “foi transferido lateralmente entre eucariotos filogeneticamente divergentes por meio de um mecanismo desconhecido”. (Takishita et. Al.) Mesmo com a grande variedade de mecanismos disponíveis, ainda permanece o mecanismo desconhecido.

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Referências

◾Andersson, J., A. Roger. 2002. “Evolutionary analyses of the small subunit of glutamate synthase: gene order conservation, gene fusions, and prokaryote-to-eukaryote lateral gene transfers.” Eukaryotic Cell 1:304-310.

◾Andersson, J., A. Roger. 2003. “Evolution of glutamate dehydrogenase genes: evidence for lateral gene transfer within and between prokaryotes and eukaryotes.” BMC Evolutionary Biology3:14.

◾Andersson, J. 2005. “Lateral gene transfer in eukaryotes.” Cellular and Molecular Life Sciences 62:1182-97.

◾Andersson, J., S. Sarchfield, A Roger. 2005. “Gene transfers from nanoarchaeota to an ancestor of diplomonads and parabasalids.”Molecular Biology and Evolution 22:85-90.

◾Andersson, J. 2006. “Convergent evolution: gene sharing by eukaryotic plant pathogens.” Current Biology16:R804-R806.

◾Andersson, J., R. Hirt, P. Foster, A. Roger. 2006. “Evolution of four gene families with patchy phylogenetic distributions: influx of genes into protist genomes.” BMC Evolutionary Biology 6:27.

◾Andersson, J. 2009. “Horizontal gene transfer between microbial eukaryotes.” Methods in Molecular Biology 532:473-487.

◾Andersson, J. 2011. “Evolution of patchily distributed proteins shared between eukaryotes and prokaryotes: Dictyostelium as a case study.” J Molecular Microbiology and Biotechnology 20:83-95.

◾Haegeman, A., J. Jones, E. Danchin. 2011. “Horizontal gene transfer in nematodes: a catalyst for plant parasitism?.” Molecular Plant-Microbe Interactions 24:879-87.

◾Katz, L. 2002. “Lateral gene transfers and the evolution of eukaryotes: theories and data.” International J. Systematic and Evolutionary Microbiology 52:1893-1900.

◾Keeling, P., J. Palmer. 2008. “Horizontal gene transfer in eukaryotic evolution,”Nature Reviews Genetics 9:605-18.

◾Maeso, I, S. Roy, M. Irimia. 2012. “Widespread Recurrent Evolution of Genomic Features.” Genome Biology and Evolution 4:486-500.

◾Richards, T., J. Dacks, J. Jenkinson, C. Thornton, N. Talbot. 2006. “Evolution of filamentous plant pathogens: gene exchange across eukaryotic kingdoms.”Current Biology 16:1857-1864.

◾Richards, T., J. Dacks, S. Campbell, J. Blanchard, P. Foster, R. McLeod, C. Roberts. 2006. “Evolutionary origins of the eukaryotic shikimate pathway: gene fusions, horizontal gene transfer, and endosymbiotic replacements.”Eukaryotic Cell 5:1517-31.

◾Takishita, K., Y. Chikaraishi, M. Leger, E. Kim, A. Yabuki, N. Ohkouchi, A. Roger. 2012. “Lateral transfer of tetrahymanol-synthesizing genes has allowed multiple diverse eukaryote lineages to independently adapt to environments without oxygen.” Biology Direct 7:5.

◾Taylor, R. 2008. “Kangaroo genes close to humans,” Reuters, Canberra, Nov 18.

Wolf, Y., L. Aravind, N. Grishin, E. Koonin. 1999. “Evolution of aminoacyl-tRNA synthetases–analysis of unique domain architectures and phylogenetic trees reveals a complex history of horizontal gene transfer events.”Genome Research 9:689-710.

Visualizando o genoma: Primeiras estruturas 3D de DNA ativo são criadas.

Por Science Daily

[Obs: Texto adaptado – Vídeos em inglês – Imagem do Science Daily com os devidos crétitos]

Genoma intacto de uma determinada célula estaminal embrionária de rato. Cada um dos 20 cromossomos estão coloridos de forma diferente.

Cientistas determinaram as primeiras estruturas tridimensionais de genomas intactos de células individuais de mamíferos, mostrando como o DNA de todos os cromossomos se dobram intrincadamente, para se encaixar dentro dos núcleos das células.

Pesquisadores da Universidade de Cambridge e do MRC Laboratório de Biologia Molecular usaram uma combinação de imagens e até 100.000 cálculos de onde diferentes partes do DNA estão próximas umas das outras para examinar o genoma em uma célula-tronco embrionária de ratos. As células-tronco são “células-mestre“, que podem se desenvolver – ou “diferenciar” – em quase qualquer tipo de célula dentro do corpo.

A maioria das pessoas estão familiarizadas com a bem conhecida forma ‘X’ dos cromossomos, mas na verdade os cromossomos só assumem essa forma quando a célula se divide. Usando sua nova abordagem, pesquisadores agora foram capazes de determinar as estruturas de cromossomos ativos dentro da célula, e como eles interagem uns com os outros para formarem um genoma intacto. Isso é importante porque o conhecimento da forma como o DNA se dobra dentro da célula permite que cientistas estudem como genes específicos e as regiões de DNA que os controlam, interagem uns com os outros. A estrutura do genoma controla quando e com que intensidade os genes – regiões particulares do DNA – são ligados ou desligados. Isto desempenha um papel crítico no desenvolvimento dos organismos e também, quando dá errado, em doenças.

Os pesquisadores têm ilustrado a estrutura ao acompanhar os vídeos, que mostram o genoma intacto de uma célula-tronco embrionária de ratos. No filme, acima, cada um dos 20 cromossomos da célula estão coloridos de forma diferente.

Em um segundo vídeo, as regiões dos cromossomos onde os genes são ativos, elas estão na cor azul, e as regiões que interagem com a lâmina nuclear (uma rede fibrilar densa dentro do núcleo) são amarelas. A estrutura mostra que o genoma está disposto de tal modo, que as regiões genéticas mais ativas estão no interior e separadas no espaço a partir das regiões menos ativas que se associam com a lâmina nuclear. A segregação consistente dessas regiões, da mesma forma em todas as células, sugere que esses processos poderiam conduzir ao dobramento do cromossomo e do genoma e assim regular eventos celulares importantes, como replicação do DNA e divisão celular.

O professor Ernest Laue, cujo grupo no Departamento de Bioquímica de Cambridge desenvolveu a abordagem, comentou:

“Saber onde estão todos os genes e elementos de controle em um dado momento nos ajudará a entender os mecanismos moleculares que controlam e mantêm sua expressão.

No futuro, vamos ser capazes de estudar como isso muda à medida que as células-tronco se diferenciam e como as decisões são tomadas em células-tronco individuais em desenvolvimento. Até agora, só pudemos observar grupos, ou “populações”, dessas células e, portanto, não conseguimos ver diferenças individuais, pelo menos do lado de fora. Atualmente, esses mecanismos são mal compreendidos e compreendê-los pode ser fundamental para a realização do potencial das células estaminais na medicina.” [Enfase deste blog]

A pesquisa, realizada por cientistas dos Departamentos de Bioquímica, Química e do Wellcome-MRC Stem Cell Institute da Universidade de Cambridge, juntamente com colegas do Laboratório de Biologia Molecular do MRC, foi publicada (13.Mar.2017) hoje na revista Nature.

O Dr. Tom Collins, da equipe de Genética e Ciências Moleculares da Wellcome, disse:

“Visualizar um genoma em 3D com um nível de detalhe sem precedentes é um passo emocionante na pesquisa e que já está sendo realizado há muitos anos. Os princípios subjacentes que regem a organização dos nossos genomas – por exemplo, como os cromossomos interagem ou como a estrutura pode influenciar se os genes são ligados ou desligados. Se pudermos aplicar este método para células com genomas anormais, como as células cancerosas, podemos ser capazes de entender melhor, o que exatamente, dá errado, causando doenças, e como nós poderíamos desenvolver soluções para corrigir isso. “

Vídeo 1: https://www.youtube.com/watch?v=1Fyq9ul9N9Q

Vídeo 2: https://www.youtube.com/watch?v=zBzdvhwtG5A

Story Source:

Materials provided by University of Cambridge. Note: Content may be edited for style and length.

Journal Reference:

Stevens, TJ et al. 3D structures of individual mammalian genomes studied by single-cell Hi-C. Nature, 3 March 2017 DOI: 10.1038/nature21429

O incrível spliceosome , a máquina macromolecular mais complexa conhecida, e processamento de pré-mRNA em células eucarióticas

Por Angelo Grasso

Ao longo do caminho para fazer proteínas em células eucarióticas, há toda uma cadeia de eventos subsequentes que devem estar simultaneamente plenamente operacionais, bem como as máquinas prontas no local, a fim de obter o produto funcional, isto é proteínas. No início do processo, o DNA é transcrito na máquina molecular de RNA-polimerase, para se obter o RNA mensageiro (mRNA), que depois tem de passar por modificações pós-transcricionais. Isso é tampando o mRNA, fase chamada de alongamento, o splicing, corte, poliadenilação e terminação, antes que possa ser exportado a partir do núcleo para o CITOSSOL, e síntese protéica iniciada, (TRADUÇÃO), e a conclusão da síntese de proteína e dobra das proteínas.
mRNAs bacterianas são sintetizadas pela polimerase de RNA, a transcrição partindo e parando em pontos específicos no genoma. A situação em eucariotas é substancialmente diferente. Em particular, a transcrição é apenas o primeiro de vários passos necessários para a produção de uma molécula de mRNA madura. O RNA maduro para muitos genes é codificado de uma maneira descontínua numa série de exões discretos, que são separados um do outro ao longo da cadeia de RNA por intrões não-codificantes. mRNA, rRNA, e tRNA podem conter intrões que devem ser removidos a partir de RNAs do precursor para produzir moleculas funcionais . A tarefa formidável de identificação e junção para unir exões entre todos os RNA’s intrônicos é realizada por uma máquina grande de ribonucleoproteína, chamada spliceossoma, qual é composta de várias pequenas ribonucleoproteínas nucleares individuais, cinco snRNPs, pronuncia-se ” snurps “, (U1, U2, U4, U5 e U6), cada uma contendo uma molécula de RNA chamada de snRNA que tem geralmente 100-300 nucleótidos de comprimento, além de fatores adicionais de proteínas que reconhecem sequências específicas do mRNA ou promovem rearranjos conformacionais na spliceosoma necessário para a reação de splicing a progressão, e muitas proteínas adicionais a mais que vão e vêm durante a reação de agregação. Ele foi descrito como uma das ” máquinas mais complexas macromoleculares conhecidas”, “composta por mais de 300 proteínas distintas e cinco RNAs“.
Os snRNAs realizam muitos dos eventos de reconhecimento de mRNA do spliceosome. Sequências de consenso local Splice são reconhecidas por fatores não-snRNP; a sequência de ramo de ponto é reconhecida pela proteína de ramo de ligação ponto-(BBP), e o aparelho de polipirimidina e 3 ‘local de splicing estão ligados por dois componentes proteicos específicos de um complexo de splicing referidos como U2AF (U2 fator auxiliar), U2AF65 e U2AF35, respectivamente.
Este é mais um grande exemplo de uma máquina molecular surpreendentemente complexa, que vai operar e exercer a sua função orquestrada precisa corretamente somente com todos os componentes totalmente desenvolvidos e formados e capazes de interagir de uma maneira altamente complexa, ordenada, precisa. Ambos, o software e o hardware, devem estar no local totalmente desenvolvidos, ou o mecanismo não iria funcionar. Nenhum estágio intermediário iria fazer o trabalho. E nem snRNPs (U1, U2, U4, U5 e U6) têm qualquer função, se não totalmente desenvolvidos. E mesmo se eles estivessem lá, sem a proteína ramo de ligação ponto-(BBP) no lugar, nada feito também, desde que o local de splicing correto não poderia ser reconhecido. E os íntrons e éxons não tinham que surgir em simultâneo com a spliceosome? Não admira, que o artigo científico: “Origem e evolução de íntrons spliceosomal” admite: Evolução da estrutura éxon-íntron dos genes eucarióticos tem sido uma questão de longa data, de debate intensivo, e conclui que: A elucidação do quadro geral da evolução da arquitetura gene eucarionte de maneira alguma implica que os principais problemas no estudo da evolução e função intron foram resolvidos. Muito pelo contrário, as questões fundamentais continua em aberto. Se a primeira etapa evolutiva teria sido o surgimento de íntrons self-splicing do Grupo II, então a questão se seguiria: Por que a evolução não parou por aí, já que esse método funciona muito bem?

Não há roteiro crível, como íntrons e éxons, e a função de emenda poderia ter surgido de forma gradual. Que utilidade o spliceosome teria , se os elementos essenciais para reconhecer a sequência e fatia a ser cortada não estaria no lugar? O que aconteceria, se o mRNA com pré éxons e íntrons estivessem no local, mas o spliceosome não estivesse pronto no lugar para fazer a modificação pós-transcricional ? E nem o código de splicing, que direciona a maneira em que a emenda deve ser feita ?

No artigo: “junk” DNA ESCONDE INSTRUÇÕES DE MONTAGEM, o autor, Wang, observa que splicing “é um processo rigorosamente regulado, e um grande número de doenças são causadas pela” falha de regulação ‘de splicing em que o gene não foi cortado e colado corretamente. ” Splicing incorreta na célula pode ter conseqüências terríveis como o produto desejado não ser produzido, e muitas vezes os produtos errados podem ser tóxicos para a célula. Por esta razão, foi proposto que ATPases são importantes para mecanismos de revisão ” que promovem a fidelidade na selecção do local de splice. No livro Essentials of Molecular Biology , George Malacinski ressalta por que a produção de polipeptídeos adequados é fundamental:

“Uma célula não pode, evidentemente, se dar ao luxo de perder qualquer uma das junções de processamento por até mesmo um único nucleótido, porque isto poderia resultar numa interrupção da fase de leitura correta, levando a uma proteína truncada.”

Após a ligação destes componentes iniciais, o resto do aparelho de emenda monta-os em torno dos componentes do mRNA, e em alguns casos, até deslocando alguns dos componentes anteriormente ligados.

Pergunta: Como é que as informações para montar o aparelho de emenda corretamente surgiram gradualmente? A fim de fazer isso, tinham as peças para montar esta maquina nanomolecular formidável não ter que estar lá, no local da montagem, totalmente desenvolvidos e especificados e prontos para o recrutamento? Tinha a disponibilidade destes componentes não ter que ser sincronizada, de modo que, em algum ponto, quer individualmente ou em combinação, eles foram todos disponíveis, ao mesmo tempo? Tinha a montagem não ter que ser coordenada no modo e na maneira certa desde o início? As partes não tinham que ser compatíveis entre si, e capaz de corretamente ‘interagir’? Mesmo se os sistemas sub ou partes são colocados juntos na ordem certa, eles também precisam estar com a interface correta desde o primeiro momento.
Será que é imaginável que esta máquina complexa fosse o resultado de um desenvolvimento evolutivo progressivo, em que as moléculas simples são o início da cadeia de biossíntese e são, em seguida desenvolvidas progressivamente em passos sequenciais, se o objetivo final não é conhecido pelo processo e mecanismo de promoção do desenvolvimento? Como poderia cada produto intermediário no caminho ser um ponto final da via, se este ponto final intermediário não apresentava função? Cada ponto de desenvolvimento intermediário não tinha que ser utilizável como um produto final com aptidão de sobrevivência maior? E como poderia ser utilizável, se a cadeia de sequência de aminoácidos tinha apenas uma fracção da sequência totalmente desenvolvida? Conhecimento molecular é a quantidade mínima de informação útil para um gene necessário para ter qualquer função. Se um gene não contém conhecimento molecular, então ele não tem nenhuma função, ele não confere qualquer vantagem seletiva. Assim, antes de uma região do DNA conter o conhecimento molecular necessário, a seleção natural não desempenha nenhum papel em guiar a sua evolução.

Assim, o conhecimento molecular pode ser relacionado a uma probabilidade de evolução.
Como poderia passos sucessivos ser adicionados para melhorar a eficiência de um produto onde não havia nenhum uso para ele nesta fase? Apesar do fato de que os defensores do naturalismo abraçarem este tipo de cenário, parece óbvio que é extremamente improvável que seja possível desta maneira.

Martin e Koonin admitem em seu artigo “Hipóteses: Introns e a origem da compartimentalização núcleo-citoplasma,“: A transição para splicing-dependente do spliceosome também vai impor uma demanda implacável para invenções, além do spliceosome. E além disso: Mais recente é o reconhecimento que não há praticamente nenhum grau evolutivo detectável na origem do spliceosome, que aparentemente estava presente em seu estado de pleno direito no ancestral comum de linhagens eucarióticas estudadas até agora. Isso é uma admissão surpreendente.
Isto significa que o spliceosome apareceu completamente formado quase abruptamente, e que a invasão íntron teve lugar durante um curto período de tempo e não mudou em supostamente centenas de milhões de anos.

Em outro artigo interessante: Quebrando o segundo código genético, os autores escrevem : As instruções genéticas de organismos complexos exibem um recurso contra-intuitivo não compartilhado por genomas mais simples: sequências de nucleótidos que codificam uma proteína (éxons) são interrompidos por outras regiões de nucleótidos que parecem ter nenhuma informação (íntrons). Esta organização bizarra de mensagens genéticas forçam células a remover íntrons do mRNA precursor (pré-mRNA) e, em seguida, emendar juntos os éxons para gerar instruções traduzíveis. Uma vantagem do presente mecanismo é que ele permite que diferentes células para escolher meios alternativos de splicing de pré-mRNA e, assim, gera diversas mensagens a partir de um único gene. As variantes podem, em seguida codificar proteínas diferentes com funções distintas. Uma dificuldade com a compreensão de splicing alternativo de mRNA de pré-seleção é a de que os exões particulares em mRNAs maduros não são determinados apenas por sequências de intrões adjacentes aos limites de exão, mas também por uma série de outros elementos de sequências presentes em ambos os exões e intrões. Estas sequências auxiliares são reconhecidas por fatores reguladores que auxiliam ou impedem a função do spliceossoma – a maquinaria molecular responsável pela remoção do intrão.
Além disso, o acoplamento entre o processamento do RNA e transcrição do gene influencia o splicing alternativo, e dados recentes implicam a embalagem de DNA com proteínas histonas e modificações covalentes das histonas – o código epigenético – na regulação do splicing. A interação entre a histona e os códigos de emenda terá, portanto, que ser precisamente formulada nas abordagens futuras.
Pergunta: Como é que os mecanismos naturais forneceriam o ajuste fino, sincronização e coordenação entre a histona e os códigos de emenda? Em primeiro lugar, estes dois códigos e as proteínas transportadoras e moléculas (a hardware e software) teriam que emergir por eles mesmos, e em uma segunda etapa orquestrar a sua coordenação. Por que é razoável acreditar, que as reações químicas não guiadas, aleatórias seriam capaz de sair com funções organismal imensamente complexas?
Fazale Rana :

Surpreendente é o fato de outros códigos, tais como o código de ligação a histona, o código de ligação de fator de transcrição, o código de splicing, e o código de estrutura secundária de RNA, o código glycan, e o código de tubulins se sobrepoem ao código genético. Cada um destes códigos desempenha um papel especial na expressão do gene, mas eles também devem trabalhar em conjunto de forma coerente e integrada.

Obs: No texto postado pelo autor podes acessar aos links, referências.

As imagens do texto são a partir da web.

	Estudo Sugere Que a… em A Origem dos Novos Genes
	jdorgival em Como Deus criou tudo antes do…
	jdorgival em TECNOLOGIA? EI, INSETOS INVENT…
	O Flagelo Bacteriano… em Como Os Engenheiros Ajudaram A…
	alvaro1904@hotmail.c… em Darwin: a vida de um ex-m…
	Carol em Variação no DNA ‘lixo…
	in áo thun em From Jerry Coyne, “Evolu…
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Tag: genoma

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