Transcrição do gene eucariótico: indo do DNA ao RNAm

Os genes ficam armazenados nas profundezas de uma célula, em uma sala trancada chamada núcleo. Os ribossomos, as máquinas que montam as proteínas, vivem fora do núcleo, flutuando em uma sopa de substâncias químicas chamada hialoplasma. Essa separação espacial apresenta um obstáculo logístico para a célula. Um ribossomo precisa das instruções contidas em um gene para se unir à proteína correspondente, mas os genes ficam presos dentro do núcleo. Como as instruções de um gene saem do núcleo e vão para o ribossomo?

A solução é simples (se você ignorar os detalhes). As instruções em um gene (escritas na linguagem de nucleotídeos do DNA) são transcritas em um gene portátil, chamado RNAm transcrito. Esses RNAm transcritos escapam do núcleo e viajam até os ribossomos, onde entregam suas instruções de montagem de proteínas. A criação de RNAm transcritos (a criação desses genes portáteis) é chamada de transcrição genética. Vamos aprender sobre isso.

Imagine que você é dono de um restaurante italiano. Você armazena todas as receitas usadas por seus cozinheiros em um grande livro e, toda noite, quando a cozinha fecha, você guarda o livro em seu escritório para mantê-lo seguro. Agora, imagine que, em um sábado à tarde, a porta de seu escritório apresente um defeito grave, e que você e o livro de receitas fiquem trancados dentro dele. O restaurante abre em algumas horas. Você tenta ligar para todos os serralheiros da cidade, mas ninguém está trabalhando no fim de semana. Como você vai levar as receitas que estão trancadas dentro do seu escritório para os cozinheiros que estão do lado de fora, para que eles possam fazer os pratos pedidos pelos clientes?

Você propõe o seguinte sistema. Quando um cliente faz um pedido de determinado prato, você pede ao garçom que bata à sua porta e lhe conte o pedido. Você se vira e encontra a receita que procura no livro, e, em seguida, anota-a em um cartão de 3x5. Como o espaço é apertado e o tempo é crucial, você usa algumas abreviações, mas certifica-se de incluir todos os elementos essenciais da receita. Então, você coloca o cartão em um saco plástico lacrado (para protegê-lo de danos na cozinha) e deslize-o sob a fresta na parte de baixo da porta. O garçom leva o cartão para o cozinheiro que o espera na cozinha, e o cozinheiro obtém as informações necessárias para preparar o prato do cliente. Problema resolvido (isso, claro, se você ignorar o fato de que ainda está trancado dentro de seu escritório!).

Nas células, a transcrição é um processo parecido com copiar uma receita em um cartão de 3x5 e deslizá-lo sob a porta do escritório. O cartão de 3x5, com a receita escrita, é análogo a um RNA mensageiro transcrito (RNAm transcrito, na forma abreviada). Um RNAm transcrito é uma fita simples de RNA que encapsula as informações contidas em um gene. Pense em um RNAm transcrito como um gene portátil: menor e mais móvel do que a sequência de DNA da qual ele é originado, mas contendo as mesmas informações.

Quando você está aprendendo algo novo, é interessante ver se você consegue colocá-lo em termos de algo que você já entende. No caso dos RNAm transcritos, o que você já entende é uma fita simples de DNA (isso supondo que você já tenha lido nosso artigo sobre estrutura e função do DNA).

Se você tiver uma imagem da tal fita de DNA em sua mente, você pode transformá-la em um RNAm transcrito fazendo duas mudanças.

A desoxirribose hidroxilada é chamada de ribose. A timina desmetilada é chamada de uracila. Em termos das substâncias químicas que as compõem, uma fita simples de RNA é exatamente igual a uma fita simples de DNA, exceto pelo fato de que a fita de RNA usa a ribose no lugar da desoxirribose, e a uracila no lugar da timina.

É importante notar que as células não produzem RNAm transcritos começando com uma fita simples de DNA e, em seguida, fazendo as mudanças que acabamos de descrever. Em vez disso, elas usam um suprimento preexistente de ribose e uracila, juntamente com os outros componentes dos nucleotídeos, para formar o RNAm do zero. O que estamos fazendo é simplesmente sugerir que a melhor maneira de entender a estrutura química do RNAm é começar com uma fita de DNA e fazer as duas mudanças descritas.

Como uma outra forma de compreender as sutis diferenças entre DNA e RNA, dê uma olhada no quadro a seguir.

Um RNAm transcrito é formado por uma enzima chamada RNA polimerase II. Como você pode ver pelo nome, a função da RNA polimerase II é bastante semelhante à da DNA polimerase. A única diferença relevante está nos blocos de construção usados.

A DNA polimerase usa uma fita simples de DNA como molde, e sintetiza uma fita de DNA. Cada nucleotídeo na fita de DNA sintetizada é complementar ao nucleotídeo na fita molde. A RNA polimerase II também usa uma fita de DNA como molde. Mas, em vez de usar este molde para fazer uma fita complementar de DNA, ela a usa para fazer uma fita complementar de RNA — o RNAm transcrito.

Assim que a RNA polimerase termina seu trabalho, o RNAm transcrito precisa ser processado antes de poder sair do núcleo em direção ao ribossomo. O processamento tem duas fases: proteção e splicing.

Durante esta fase, sequências de nucleotídeos são adicionadas a cada extremidade do RNAm transcrito para protegê-lo de possível degradação fora do núcleo. A extremidade 5' de um nucleotídeo de G simples é anexada à extremidade 5' do transcrito. Isso é chamado de cap 5'. Na extremidade 3' do transcrito, é anexada uma longa sequência de nucleotídeos de A. Isso é chamado de cauda poli-A. O cap 5' e a cauda poli-A protegem o RNAm transcrito do ataque de enzimas no citoplasma, chamadas exonucleases, que têm especificamente como alvos moléculas de RNA com extremidades 5' expostas.

Pense nesta fase de proteção do processamento em termos de nossa analogia com o restaurante. Você sabe que deve proteger o cartão de 3x5 com a receita de danos que possam ocorrer na cozinha, por isso você coloca o cartão dentro de um saco plástico, a fim de protegê-lo de água, óleo ou outros ingredientes que inadvertidamente possam comprometer a integridade da tinta com a qual a mensagem foi escrita. O cap 5' e a cauda poli-A têm a mesma função de proteção.

A outra fase do processamento de RNAm é chamada de splicing. O objetivo do splicing é remover os íntrons do RNAm transcrito. Íntrons são sequências de RNA que não contêm nenhuma informação sobre como construir uma proteína.

Os íntrons são retirados de um RNAm transcrito por um complexo de enzimas chamado spliceossomo. Um spliceossomo localiza os íntrons e os retira, e, em seguida, funde as partes restantes do RNAm transcrito. As partes do RNAm transcrito que não são retiradas pelo spliceossomo são chamadas de éxons. Ao contrário dos íntrons, os éxons são a parte de um RNAm transcrito que realmente contém instruções para montagem de uma proteína. Muitos chamam o RNAm transcrito que ainda contém íntrons de pré-RNAm, e o transcrito livre de íntrons produzido pelo spliceossomo de RNAm primário (também chamado de "RNAm maduro" por alguns autores).

Pense no splicing de íntrons em termos de nossa analogia com o restaurante. As receitas do grande livro de receitas podem conter informações extrínsecas, como de onde veio a receita, sua história na família ou com que outros pratos ou bebidas ela pode ser harmonizada. De acordo com seus propósitos, esse tipo de informação não é relevante no que diz respeito ao seu objetivo principal. Portanto, ao fazer o cartão, você o deixa de fora, e inclui somente as informações necessárias para o preparo do prato. No caso da transcrição, essas informações necessárias estão contidas nos éxons, e todo o resto—os íntrons—pode ser excluído. O resultado é uma versão menor e mais móvel do RNAm transcrito.

Depois que um RNAm foi protegido e passou pelo splicing, ele está pronto para deixar o núcleo e iniciar a segunda fase da síntese de proteínas, chamada de tradução.

Em nosso exemplo do restaurante, o que aconteceria se o cartão que você passou por baixo da porta nunca tivesse chegado à cozinha? O prato não teria sido preparado porque o cozinheiro não teria a receita, certo?

Nos últimos anos, uma classe promissora de terapias médicas usou uma versão dessa ideia para desenvolver novas terapias para uma série de doenças desafiadoras. Com o nome de RNA de interferência, essas terapias interrompem a produção de proteínas nocivas, interceptando e incapacitando os RNAm transcritos antes de eles chegarem aos ribossomos. De cara, isso impede que as proteínas correspondentes sejam produzidas!

Um tratamento proposto recentemente para o ebola talvez represente a aplicação mais espetacular das técnicas de RNA de interferência.

O ebola, assim como a maioria dos vírus, é basicamente uma máquina de transcrição. Ele contém um genoma viral --- basicamente, um cromossomo muito pequeno e simples --- junto com uma enzima polimerase. Assim que o vírus se infiltra em uma de suas células, a enzima polimerase sintetiza RNAm transcritos de cada um dos genes de seu genoma. Em seguida, ele comanda seus próprios ribossomos e os usa para construir suas próprias proteínas. Uma vez que você produza essas proteínas para o vírus do ebola, elas direcionam a construção de novos ebolavírus.

Uma ideia óbvia para combater o ebola seria sabotar todo esse processo e interromper a replicação antes que ela evolua.

Usando uma classe de moléculas projetadas chamadas RNA curto de interferência (siRNA, na forma abreviada), cientistas mostraram que os RNAm virais sintetizados pelo vírus do ebola dentro das células infectadas podem ser capturados e destruídos antes de conseguirem entregar suas mensagens genéticas aos ribossomos de uma célula hospedeira. Sem o RNAm do ebola, não há proteínas do ebola. Sem suas proteínas, o ebola perde a capacidade de se replicar dentro das células hospedeiras!

Tal como acontece com todas as novas terapias, os tratamentos para o ebola baseados em siRNA foram inicialmente validados em modelos animais não humanos. No entanto, durante o último surto do vírus na África Ocidental, e sua subsequente disseminação para a América do Norte, as autoridades da Food and Drug Administration dos EUA tomaram a medida radical de emitir uma, assim chamada, isenção para "uso compassivo" da terapia para ebola baseada em siRNA, chamada TKM-ebola. Embora os detalhes sejam vagos, sabemos que o TKM-ebola foi administrado a vários pacientes diferentes e pode ter desempenhado um papel em suas subsequentes recuperações.