11.1: O que são genes?

Objetivos de

• Explique as duas funções do genoma
• Explicar o significado do dogma central da biologia molecular
• Diferencie entre genótipo e fenótipo e explique como os fatores ambientais influenciam o fenótipo

Foco clínico: Parte 1

Mark é engenheiro de software de 60 anos que sofre de diabetes tipo II, que ele monitora e mantém sob controle em grande parte por meio de dieta e exercícios. Numa manhã de primavera, enquanto fazia jardinagem, ele arranhou a parte inferior da perna enquanto caminhava por amoras silvestres. Ele continuou trabalhando o dia todo no quintal e não se preocupou em limpar a ferida e tratá-la com pomada antibiótica até mais tarde naquela noite. Nos dois dias seguintes, sua perna ficou cada vez mais vermelha, inchada e quente ao toque. Estava dolorido não apenas na superfície, mas também no fundo do músculo. Após 24 horas, Mark desenvolveu febre e rigidez na perna afetada. Sentindo-se cada vez mais fraco, ele ligou para um vizinho, que o levou ao pronto-socorro.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

1. Mark esperou muito tempo para procurar atendimento médico? Em que momento seus sinais e sintomas justificam a procura de atendimento médico?
2. Quais tipos de infecções ou outras condições podem ser responsáveis pelos sintomas de Mark?

O DNA tem duas funções essenciais que lidam com as informações celulares. Primeiro, o DNA é o material genético responsável pela herança e é transmitido de pais para filhos durante toda a vida na Terra. Para preservar a integridade dessa informação genética, o DNA deve ser replicado com grande precisão, com o mínimo de erros que introduzam mudanças na sequência de DNA. Um genoma contém o complemento completo do DNA dentro de uma célula e é organizado em unidades menores e discretas chamadas genes que são organizadas em cromossomos e plasmídeos. A segunda função do DNA é direcionar e regular a construção das proteínas necessárias a uma célula para crescimento e reprodução em um ambiente celular específico.

Um gene é composto de DNA que é “lido” ou transcrito para produzir uma molécula de RNA durante o processo de transcrição. Um dos principais tipos de molécula de RNA, chamado RNA mensageiro (mRNA), fornece as informações para o ribossomo catalisar a síntese de proteínas em um processo chamado tradução. Os processos de transcrição e tradução são coletivamente chamados de expressão gênica. A expressão gênica é a síntese de uma proteína específica com uma sequência de aminoácidos codificada no gene. O fluxo de informação genética do DNA para o RNA para a proteína é descrito pelo dogma central (Figura\(\PageIndex{1}\)). Esse dogma central da biologia molecular elucida ainda mais o mecanismo por trás da hipótese de “uma enzima gene-uma” de Beadle e Tatum (veja Usando a microbiologia para descobrir os segredos da vida). Cada um dos processos de replicação, transcrição e tradução inclui os estágios de 1) iniciação, 2) alongamento (polimerização) e 3) terminação. Esses estágios serão descritos com mais detalhes neste capítulo.

Figura\(\PageIndex{1}\): O dogma central afirma que o DNA codifica o RNA mensageiro, que, por sua vez, codifica a proteína.

O genótipo de uma célula é a coleção completa de genes que ela contém, enquanto seu fenótipo é o conjunto de características observáveis que resultam desses genes. O fenótipo é o produto da matriz de proteínas produzidas pela célula em um determinado momento, que é influenciada pelo genótipo da célula, bem como pelas interações com o ambiente da célula. Os genes codificam proteínas que têm funções na célula. A produção de uma proteína específica codificada por um gene individual geralmente resulta em um fenótipo distinto para a célula em comparação com o fenótipo sem essa proteína. Por esse motivo, também é comum se referir ao genótipo de um gene individual e seu fenótipo. Embora o genótipo de uma célula permaneça constante, nem todos os genes são usados para direcionar a produção de suas proteínas simultaneamente. As células regulam cuidadosamente a expressão de seus genes, usando genes apenas para produzir proteínas específicas quando essas proteínas são necessárias (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): O fenótipo é determinado pelos genes específicos dentro de um genótipo que são expressos sob condições específicas. Embora várias células possam ter o mesmo genótipo, elas podem exibir uma ampla variedade de fenótipos resultantes de diferenças nos padrões de expressão gênica em resposta a diferentes condições ambientais.

Exercício\(\PageIndex{2}\)

1. Quais são as duas funções do DNA?
2. Faça a distinção entre o genótipo e o fenótipo de uma célula.
3. Como as células podem ter o mesmo genótipo, mas diferem em seu fenótipo?

Uso e abuso de dados do genoma

Por que alguns humanos podem abrigar patógenos oportunistas, como Haemophilus influenzae, Staphylococcus aureus ou Streptococcus pyogenes, em suas vias respiratórias superiores, mas permanecem portadores assintomáticos, enquanto outros indivíduos ficam gravemente doentes quando infectados? Há evidências sugerindo que diferenças na suscetibilidade à infecção entre pacientes podem ser resultado, pelo menos em parte, de diferenças genéticas entre hospedeiros humanos. Por exemplo, diferenças genéticas em antígenos leucocitários humanos (HLAs) e antígenos de glóbulos vermelhos entre hospedeiros foram implicadas em diferentes respostas imunes e na resultante progressão da doença a partir da infecção por H. influenzae.

Como a interação genética entre o patógeno e o hospedeiro pode contribuir para os resultados da doença, compreender as diferenças na composição genética entre os indivíduos pode ser uma ferramenta clínica importante. A genômica ecológica é um campo relativamente novo que busca entender como os genótipos de diferentes organismos interagem entre si na natureza. O campo responde a perguntas sobre como a expressão gênica de um organismo afeta a expressão gênica de outro. As aplicações médicas da genômica ecológica se concentrarão em como os patógenos interagem com indivíduos específicos, ao contrário dos humanos em geral. Essas análises permitiriam que os profissionais médicos usassem o conhecimento do genótipo de um indivíduo para aplicar planos mais individualizados de tratamento e prevenção de doenças.

Com o advento do sequenciamento de próxima geração, é relativamente fácil obter todas as sequências genômicas de patógenos; um genoma bacteriano pode ser sequenciado em apenas um dia. ¹ A velocidade e o custo do sequenciamento do genoma humano também foram bastante reduzidos e, já, os indivíduos já podem enviar amostras para receber extensos relatórios sobre suas características genéticas pessoais, incluindo ancestralidade e status de portador de várias doenças genéticas. À medida que as tecnologias de sequenciamento avançarem, esses serviços continuarão a se tornar mais baratos, mais extensos e mais rápidos.

No entanto, à medida que este dia se aproxima rapidamente, há muitas preocupações éticas com as quais a sociedade deve lidar. Por exemplo, o sequenciamento do genoma deve ser uma prática padrão para todos? Deve ser exigido por lei ou pelos empregadores se isso reduzirá os custos de saúde? Se alguém recusar o sequenciamento do genoma, ele ou ela perde o direito à cobertura do seguro saúde? Para quais propósitos os dados devem ser usados? Quem deve supervisionar o uso adequado desses dados? Se o sequenciamento do genoma revelar predisposição a uma determinada doença, as seguradoras têm o direito de aumentar as taxas? Os empregadores tratarão um funcionário de forma diferente? Sabendo que as influências ambientais também afetam o desenvolvimento de doenças, como os dados sobre a presença de um determinado alelo causador de doenças em um indivíduo devem ser usados de forma ética? A Lei de Não Discriminação de Informações Genéticas de 2008 (GINA) atualmente proíbe práticas discriminatórias com base em informações genéticas por empresas de seguro saúde e empregadores. No entanto, o GINA não cobre apólices de seguro de vida, invalidez ou assistência a longo prazo. Claramente, todos os membros da sociedade devem continuar conversando sobre essas questões para que esses dados genômicos possam ser usados para melhorar os cuidados de saúde e, ao mesmo tempo, proteger os direitos de um indivíduo.

Conceitos principais e resumo

• O DNA tem duas funções celulares importantes: é o material genético passado de pai para filho e serve como informação para direcionar e regular a construção das proteínas necessárias para que a célula desempenhe todas as suas funções.
• O dogma central afirma que o DNA organizado em genes especifica as sequências do RNA mensageiro (mRNA), que, por sua vez, especifica a sequência de aminoácidos das proteínas.
• O genótipo de uma célula é a coleção completa de genes que uma célula contém. Nem todos os genes são usados para produzir proteínas simultaneamente. O fenótipo são as características observáveis de uma célula resultantes das proteínas que ela está produzindo em um determinado momento sob condições ambientais específicas.

Notas de pé

1. 1 D.J. Edwards, K.E. Holt. “Guia para iniciantes em análise comparativa do genoma bacteriano usando dados de sequência de próxima geração.” Informática e Experimentação Microbiana 3 no. 1 (2013) :2.