Explorando a matéria escura do genoma

Mês passado fiz um paralelo entre a proposta da matéria e da energia escura na cosmologia com achados na genética, biologia molecular e genômica indicando que nosso entendimento do genoma foi construído com base em menos de 2% das sequências de nucleotídeos do DNA, que correspondem aos genes que codificam proteínas. A matéria escura do genoma consiste de uma grande quantidade de diversas sequências genômicas que são transcritas em RNAs que não codificam proteínas. Quando aprendemos sobre genética e biologia molecular, apesar da grande ênfase sobre genes que são transcritos em RNAs mensageiros (RNAm) e traduzidos em proteínas, aprendemos sobre outros RNAs que não são codificantes de proteínas, a exemplo do RNA de transferência (RNAt) e do RNA ribossômico (RNAr). Nas últimas décadas, contudo, uma diversidade cada vez maior de RNAs não codificantes foi descoberta e, mais do que isso, diferentes papeis na regulação da expressão dos genes foram atribuídos a eles.

Há menos de um mês, o periódico Scientific Reports publicou artigo de Boseon Byeon e Igor Kovalchuk que relata mais um achado surpreendente, direto dos territórios pouco mapeados da matéria escura do genoma. Conforme escrevem esses autores, uma vez que o RNA é transcrito a partir do DNA, como poderia haver moléculas de RNA transcritas a partir de regiões do genoma que foram eliminadas? Não, isso não deveria ocorrer. Os achados desses autores contradizem, no entanto, esta expectativa: eles encontraram 229 RNAs não codificantes que mapeavam com regiões eliminadas do DNA genômico em 79 amostras do projeto 1000 genomas (1000 genomes project).A importância desses achados está relacionada aos mecanismos epigenéticos de herança. Com a emergência da epigenética, ficou claro que modificações do DNA (a exemplo da ligação de radicais metila a nucleotídeos específicos, a “metilação”) e das proteínas associadas a ele nos cromossomos, as histonas poderiam ser herdáveis e afetar as gerações seguintes. Por exemplo, no ciliado Oxytricha, incluído no Reino Protoctista, RNA materno é herdado e cumpre papel importante na eliminação massiva de fragmentos de DNA, que atinge cerca de 95% do genoma da linhagem germinativa, sendo o genoma remontado com base nos 5% restantes de sequências de DNA, como explicam Nowacki e colaboradores. RNAs não codificantes também têm o papel de moldes para o reparo de fragmentos de DNA que foram mutados ou processados de modo equivocado, assim como podem propagar mutações acumuladas durante o crescimento materno.

RNAs não-codificantes também estão envolvidos num fenômeno impressionante que já foi relatado em plantas, como Arabidopsis, e mamíferos, como camundongos, denominado “restauração genética”, o qual contribui, como destaca Petter Portin, para a atual natureza elusiva do gene. Uma sequência de nucleotídeos mutada pode ser restaurada para sua sequência original via eventos de mutação reversa. Contudo, se mutações são raras (com uma frequência de 10^-8 por nucleotídeo por geração), mutações reversas são um fenômeno ainda mais raro (com uma chance dez vezes menor de ocorrer). Por isso, foi muito surpreendente quando Susan J. Lolle e colaboradores relataram uma frequência de reversão de cerca de 10% de uma mutação recessiva homozigótica num gene de Arabidopsis. Para explicar esse fenômeno, estes autores conjecturaram que o DNA seria reescrito com base em RNAs herdados de gerações passadas, que forneceriam moldes para a restauração da sequência de DNA anterior à mutação. Esse mecanismo constitui não somente um desafio às concepções aceitas de herança, mas também ao entendimento dos genes. Se ele de fato ocorrer, mecanismos epigenéticos não somente alteram os padrões de expressão gênica, mas podem alterar a própria sequência do DNA.

Estranho como possa parecer, esse mecanismo não se mostra tão extravagante quanto julgaríamos há alguns anos, antes de começarmos a desvendar os muitos aspectos intrigantes da matéria escura do genoma. De qualquer modo, os desafios mencionados acima não passaram desapercebidos e outros cientistas se dedicaram a propor explicações alternativas, que fossem capazes de evitar tamanha mudança em nossas concepções de herança. Alguns propuseram, por exemplo, que as mutações eram revertidas por meio de sequências homólogas encontradas no próprio genoma, ou pela recombinação com fragmentos de DNA herdados de uma geração anterior.

Entre as questões em aberto sobre o papel do RNA na herança, Byeon e Kovalchuk procuraram responder a seguinte: o que acontece com a memória de RNAm e RNA não codificante quando certas regiões genômicas são inteiramente deletadas, eliminando quaisquer transcritos potenciais? Esta é uma daquelas questões que parecem tão óbvias depois que alguém as faz, mas sobre as quais você provavelmente não teria pensado antes. É provável que as células de um organismo em desenvolvimento contenham certo número de moléculas de RNAm ou RNA não codificantes residuais, mesmo após a região de onde foram transcritas ter sido eliminada. Com que velocidade essas moléculas são degradadas? Eles poderiam sobreviver por uma geração inteira ou mesmo por várias gerações?

Estas são questões de central importância na busca por uma compreensão do papel das moléculas de RNA na herança e, inclusive, na restauração parcial ou completa de regiões genômicas eliminadas. No entanto, não temos ainda informações que permitam respondê-las. Na era pós-genômica, estão por aí muitas oportunidades de boas perguntas a responder, com base na grande quantidade de dados disponíveis.

O principal achado do estudo de Byeon e Kovalchuk é uma observação, a de que são encontrados em seres humanos quantidades significativas de RNA não-codificante que correspondem a regiões já eliminadas do genoma. Eles propõem, no entanto, uma hipótese para explicar esse achado: estes RNAs não codificantes foram transcritos em gerações anteriores das regiões genômicas eliminadas e podem representar produtos de degradação dos RNAs originalmente transcritos. É uma explicação plausível. Além disso, coloca perguntas intrigantes: essa memória de RNA dura uma geração única ou pode ser propagada através de múltiplas gerações através dos gametas? O mais seguro a dizer é que estamos ainda engatinhando na exploração da matéria escura do genoma e mais esforços serão necessários para elucidar o papel desses RNAs não codificantes na manutenção da estabilidade do genoma e nos mecanismos de herança, se é que eles têm algum papel.

Figura1: Quantidade de RNAs não codificantes de proteínas aumentou ao longo da história evolutiva. Fonte: Mattick JS. The central role of RNA in human development and cognition. FEBS Letters 2011, 585, 1600-16 .

Charbel N. El-Hani

(Instituto de Biologia/UFBA)

PARA SABER MAIS:

Chaudhury, A. (2005). Plant genetics: hothead healer and extragenomic information. Nature 437: E1, discussion E2.

Lolle, S. J., Victor, J. L., Young, J. M. & Pruitt, R. E. (2005). Genome-wide non-mendelian inheritance of extra-genomic information in Arabidopsis. Nature 434: 505-509.

Moore, D. S. (2015). The developing genome. Oxford: Oxford University Press.

Nowacki, M., Shetty, K. & Landweber, L. F. (2011). RNA-mediated epigenetic programming of genome rearrangements. Annuals Reviews of Genomics and Human Genetics 12: 367-389.

Ponting, C. P. & Belgard, T. G. (2010). Transcribed dark matter: meaning or myth? Human Molecular Genetics 19: R162-R168.

Portin, P. (2009). The elusive concept of the gene. Hereditas 146: 112–117.

Rassoulzadegan, M., Grandjean, V., Gounon, P., Vincent, S., Gillot, I. & Cuzin, F. (2006). RNA-mediated non-mendelian inheritance of an epigenetic change in the mouse. Nature 441: 469-474.

Ray, A. (2005). Plant genetics: RNA cache or genome trash? Nature 437> E1-2, discussion E2.