Introdução aos Microarrays de ADN

Introdução aos
Microarrays de ADN
Anastasios Koutsos
Alexandra Manaia
Julia Willingale-Theune
Versão 2.3
Versão
Portuguesa
ELLS – European Learning Laboratory for the Life Sciences
Anastasios Koutsos, Alexandra Manaia e Julia Willingale-Theune
Introdução aos
Microarrays de ADN
Versão 2.3
Introdução aos
Microarrays de ADN
1.1 Introdução
Vivemos uma época a que os historiadores do futuro chamarão a “era genómica”, em que os vários cientistas,
em todo o mundo, trabalham num dos mais ambiciosos programas científicos de sempre – o projecto Genoma
Humano (Human Genome Project- HGP). O objectivo principal do HGP é sequenciar os 3 biliões de
nucleótidos (os As, Cs, Gs e Ts) que formam os 23 pares de cromossomas humanos.
A publicação da primeira versão da sequência do genoma humano, em 2001, levou a uma revolução na
biologia molecular, pois veio em grande medida evitar que os cientistas precisassem de clonar e sequenciar
cada gene que estivessem a estudar (implicados em doenças humanas etc). Passaram a poder procurar as
sequências dos genes directamente em bases de dados de livre acesso. No entanto, esta versão inicial da
sequência do genoma continha ainda centenas de milhar de “buracos” (gaps= regiões de sequência ainda
desconhecida) e também regiões cuja posição ainda não estava definida (podiam ter sido “mal ligadas” ou
trocadas com outras).
Desde a versão inicial da sequência do genoma humano, a investigação para preencher os “buracos” e
corrigir os erros prosseguiu: em Outubro de 2004 só já faltava preencher cerca de 341 “buracos”! Qual será o
próximo passo? Vai com certeza consistir em tentar perceber a função dos genes e de que forma estes agem
de forma coordenada para assegurar a funcionalidade e o equilíbrio dos indivíduos. Também será importante
compreender de que modo é que a actividade de certos genes conduz ao aparecimento de doenças, como
por exemplo o cancro. É previsível que futuramente venham a ser desenvolvidas terapêuticas personalizadas,
adaptadas a cada indivíduo e ao seu próprio património genético.
Além do programa do genoma humano, existem vários projectos que também produzem uma imensidão de
dados. Tecnologias como a “whole-genome shotgun’ (WGS), em que todo o genoma é separado em pedaços
de vários tamanhos que, depois de sequênciados e unidos, utilizando um software especial, permitem aos
cientistas sequênciar o genoma de vários “organismos-modelo”, utilizados em investigação científica há muitos
anos (levedura, mosca da fruta, ratinho, etc). Descobrir quais os genes que estão envolvidos na “versão animal”
de uma doença pode ser crucial para identificar os genes equivalentes nos humanos. Além disto, a
comparação do ADN humano com o dos “organismos-modelo” também se tem revelado útil para estudar
aspectos básicos da evolução. A lista dos “organismos-modelo” cujo genoma foi já completamente
sequenciado, inclui microrganismos, invertebrados, plantas e muitos vertebrados, como o rato, ratinho,
chimpanzé e continua a crescer. Novas ferramentas estão a ser desenvolvidas para ajudar a interpretar a
imensa quantidade de informação resultante de todos estes projectos científicos.
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1.2 A expressão dos genes na célula
Com algumas excepções, todas as células do nosso corpo contêm um conjunto
idêntico de cromossomas e portanto de genes. Mas em cada tipo de células só
alguns destes genes estão activos, ou seja são expressos, levando à produção
de um conjunto de proteínas específicas de certo tipo de células. A expressão
génica é o termo utilizado para descrever a transcrição da informação do ADN
para as moléculas de mARN mensageiro que são depois traduzidas em proteínas
que executam as várias funções das células. Estudando o tipo e a quantidade de
mARN produzidas pelas células, os cientistas identificam quais os genes expressos
e percebem como as células reagem a variações das suas próprias necessidades
(nutrientes, oxigénio etc). A expressão dos genes resulta de processos complexos
e é muito regulada, permitindo que a célula responda de forma dinâmica, tanto
aos estímulos do ambiente, como a alterações das suas próprias necessidades. O
mecanismo que controla os genes que são expressos numa célula é semelhante
a um interruptor tipo ligado/desligado (“on/off”), que funciona também como um
“regulador do som”, aumentando ou diminuindo o nível de expressão de um
determinado grupo de genes para se ajustar às necessidades da célula.
1.3 Análise da expressão génica
Analisar a expressão dos genes envolve o estudo das quantidades de mARN e de
proteína que são produzidas pela célula num determinado período. Até aos anos
noventa, os cientistas só conseguiam analisar simultaneamente a expressão de
meia-duzia de genes. Recentemente, criaram-se novas ferramentas, os
“microarrays”, conhecidos também por “chips de ADN”, que conduziram a um
extraordinário salto quantitativo, pois permitem estudar simultaneamente milhões de
genes numa única experiência de execução simples, rápida e eficiente. O princípio
subjacente a este novo utensílio tecnológico envolve a comparação de amostras.
Por exemplo, para estudar o processo de envelhecimento, comparam-se tecidos
jovens com envelhecidos; para perceber a evolução, comparam-se organismos
simples com complexos; para estudar como a expressão génica se modifica em
situações patológicas comparam-se tecidos sãos com patológicos.
1.4 Os “Microarrays”: como funcionam?
Os “microarrays”, ou “chips de ADN” baseiam-se no facto de as moléculas de
mARN se ligarem selectivamente, por emparelhamento, às moléculas de ADN
com sequência complementar presentes nos chips. Para fazer um “microarray”
imprimem-se “grelhas”, medindo apenas alguns centímetros, formadas por milhões
(200000) de “spots” de ADN, em lâminas de vidro, semelhantes às utilizadas para
histologia. Em cada “spot” é depositada uma gota minúscula, contendo moléculas
de ADN em solução. Cada gota depositada por “spot” contém sequências
específicas de um único gene. Estas moléculas ADN de cadeia simples impressas
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nos vários “spots” da grelha funcionam como autocolantes, atraindo a si as
moléculas de mARN que lhes são complementares, de entre as muitas
moléculas de mARN que são lançadas na superfície da lâmina. Os microarrays
podem ser facilmente produzidos e a baixo custo, utilizando simples lâminas de
vidro. Como pode imaginar, imprimir 20000 minúsculos “spots” de ADN numa
superfície tão pequena é uma tarefa extremamente difícil. É preciso que os “spots”
tenham exactamente a mesma forma e que sejam equidistantes uns dos outros.
Para tal, é necessário utilizar robots que são programados para realizar este
trabalho extremamente preciso.
1.5 Os “Chips” no EMBL
Vários grupos de investigação do EMBL utilizam microarrays nas suas experiências.
O grupo de Wilhelm Ansorge foi um grupo pioneiro na produção e na análise de
microarrays, tendo produzido microarrays com genes humanos. O laboratório de
Matthias Hentze tem utilizado microarrays para investigar uma doença chamada
“hemacromatose”, causada por problemas metabólicos que levam a uma
absorção excessiva de ferro, que se deposita em vários órgãos e tecidos do corpo.
O ferro acumulado pode tornar-se tóxico causando vários problemas. Eileen
Furlong utilizou microarrays para identificar os genes da mosca da fruta (Drosophila
melanogaster) que estão envolvidos em cada etapa do seu desenvolvimento
embrionário. O grupo do Prof Fotis Kafatos tem usado microarrays para identificar
os genes do sistema imunitário do mosquito (Anopheles gambiae) que estão
implicados na destruição do parasita unicelular que causa a malária no mosquito,
antes deste infectar os humanos.
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Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer a todos os que contribuíram para a elaboração desta
actividade:
- Ao Udo Ringeisen e a toda a equipa do Departamento de Fotografia do EMBL (EMBL
Photolab), pela impressão dos tapetes do “microarray” em tecido, (para demonstração
em cursos ou festivais de ciência) e pela produção da versão em plástico, (para
utilização na sala de aula);
- Ao Thomas Sandmann, na altura estudante de doutoramento no EMBL-Heidelberg,
por várias discussões e sugestões muito úteis e também por nos ter chamado a
atenção para o excelente material sobre “microarrays” intitulado ‚Snapshots of Science
and Medicine‘, produzido pelo “NIH Office of Science Education”, em conjunto com o
“Office of Research on Women‘s Health”;
- Ao Russ Hodge, na altura, no Departamento de Comunicação e Relações Públicas
do EMBL-Heidelberg (“Office of Information and Public Affairs” [OIPA]), bem como a
toda equipa do “European Learning Laboratory for the Life Sciences” [ELLS], por muitas
discussões, sugestões e apoio;
- A Giovanni Frazzetto, Mehrnoosh Rayner e Vassiliki Koumandou por terem lido a
primeira versão desta actividade e por terem contribuído para melhorá-la com as suas
ideias e comentários.
- A vários amigos e colegas do EMBL-Heidelberg com quem partilhámos ideias,
entusiasmo e dúvidas;
- “Os Exercícios para a sala de aula” foram adaptados do material sobre “microarrays”
intitulado “Snapshots of Science and Medicine”, produzido pelo “NIH Office of Science
Education”. Pode ser encontrado no seguinte website:
science-education.nih.gov/snapshots;
Imagem de capa por André-Pierre Olivier;
Traduzido por Alexandra Manaia;
Editado por Corinne Kox e Sonia Furtado.
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