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Uma revolução na manipulação de genomas

Nos últimos três anos, um novo método vem sendo utilizado para editar a sequência de DNA de qualquer organismo, incluindo humanos. É o sistema CRISPR/Cas (CRISPR é um acrônimo do inglês: clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats), que originalmente é usado por bactérias para se defender de infecções causadas por vírus. Quando a bactéria detecta a presença de DNA viral, ela incorpora parte desse DNA e produz dois tipos de RNA de pequeno comprimento, sendo que um deles é complementar à sequência do DNA viral. Essas duas sequências de RNA formam um complexo com a enzima Cas, que é uma nuclease, um tipo de enzima que corta DNA. Quando a sequência de RNA guia (aquela complementar ao DNA viral) acha seu alvo dentro do DNA viral, a Cas corta esse DNA, degradando o DNA viral. Isso confere à bactéria uma resposta imune adaptativa, algo que não se imaginava existir antes.

CRISPR

Figura 1. Sistema CRISPR/Cas. Fase de adaptação: a bactéria reconhece o DNA viral e incorpora ao próprio DNA. Fase de transcrição: a bactéria produz pequenos RNA baseados no DNA viral incorporado. Fase de interferência: os RNA se ligam a enzima Cas e esse complexo destrói o DNA viral. (Modificado de http://sitn.hms.harvard.edu/flash/2014/crispr-a-game-changing-genetic-engineering-technique/)

Este mecanismo foi modificado de forma que hoje é possível cortar qualquer sequência de DNA, de qualquer organismo, em uma localização específica, apenas modificando a sequência do RNA guia. E isso pode ser feito tanto no tubo de ensaio como nos núcleos de células vivas. Uma vez que esse sistema corta a fita de DNA, a célula tenta reparar esse DNA cortado. Entretanto o processo de reparo de DNA é propenso a erro, levando a mutações que podem fazer com que esse gene perca a função. Essas mutações são aleatórias, mas as vezes queremos algo mais preciso, por exemplo, repor um gene mutado por um sem a mutação. Isso pode ser feito adicionando um outro pedaço de DNA, um que contenha a sequência desejada. Então, uma vez que o complexo com Cas corta o DNA em uma região especifica, esse outro pedaço de DNA que contém a sequência desejada serve de molde para reparar o corte, e substitui a sequência original, alterando assim o DNA. Tudo isso pode ser feito em células em cultura no laboratório, em óvulos fertilizados, permitindo a criação de transgênicos com mutações dirigidas. E ao contrário de outros métodos, o sistema CRISPR/Cas permite que muitos genes possam ser alterados de um vez.

O avanço dessa tecnologia tem sido rápido, o que pode trazer grandes avanços nas pesquisas básicas, no desenvolvimento de drogas, na agricultura, e talvez, no tratamento de doenças genéticas, até mesmo daquelas complexas em que muitos genes estão envolvidos.

Fonte:

Sontheimer, E. J. & Barrangou, R. The Bacterial Origins of the CRISPR Genome-Editing Revolution. Hum. Gene Ther. 26, 413–424 (2015).

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Bactérias: o que elas têm a ver conosco afinal?

Existe uma ideia de que os microrganismos são maléficos a nós seres humanos. Também há a ideia de que precisamos de uma higiene hospitalar para ter uma vida saudável e sem doenças. É fácil ver isso nos produtos de limpeza que se propõem a matar 99,9% dos germes e nas condutas médicas, com a superutilização de antibióticos. Mas os microrganismos como um todo participaram e participam ativamente do processo evolutivo humano, inclusive para nossa formação cerebral.

A base da variação sobre a qual atua a evolução é a variação genética (que ocorre no DNA do núcleo ou presente no citoplasma, em nossas mitocôndrias). Porém, vêm crescendo em importância as variações epigenéticas (que não ocorrem na sequência de DNA). Além disso, outra variação que pode ser muito importante é a variação genética encontrada nos microrganismos que vivem em nós, os simbiontes, que entram na equação como uma variação genética se pensarmos em nossos organismos de forma macroscópica. Para se ter uma ideia, em números, para cada célula do nosso corpo existem outras dez de microrganismos (1 a 2 quilos do nosso corpo equivalem a microrganismos, o mesmo peso do cérebro); existem pelo menos 9,9 milhões de genes não humanos em nossas células!

A interação entre essa microbiota (bactérias, fungos, vírus e nematoides) e nosso núcleo celular, onde está a informação genética, é similar à interação entre o núcleo celular e a mitocôndria (onde ocorre a produção de energia na célula, e que também remotamente já foi um microrganismo simbionte). A microbiota do nosso corpo influencia quase todos os aspectos de nossa saúde, dado que colonizam regiões como a boca, a pele, órgãos reprodutivos, o trato gastrointestinal. Durante a evolução humana, o cérebro sofreu reconstruções estruturais em que houve um grande aumento de seu volume relativo, culminado em um órgão com a maior demanda energética do corpo. Ao mesmo tempo, o trato gastrointestinal diminuiu proporcionalmente, levando a hipótese “do tecido caro”, que propõe a compensação do crescimento metabólico de um órgão pela redução de outro órgão.

De forma resumida, uma proposta de como os microrganismos influenciaram a evolução do cérebro nos seres humanos é por meio do “triângulo social”. A evolução recente com o aumento do cerebral apareceu em conjunto com a diversidade de RNA (molécula intermediária entre o DNA e a proteína, essa última efetora de processos celulares), aumentando a capacidade de processamento e plasticidade do cérebro. Ao mesmo tempo os microrganismo simbiontes contribuíram para o aumento da socialização, pois promoviam o desenvolvimento de sinais no eixo cérebro-intestino. Além disso, o comportamento social altera a composição da microbiota e vice-versa, por exemplo, a expressão de RNA não codificantes (que não produzem proteínas) está associada a doenças cognitivas que alteram o comportamento social. Quer dizer que os tipos de bactérias que vivem em mim podem influenciar meu comportamento? Sim!

E hoje, nossas interações com essa microbiota vêm sendo investigadas e parece que explicam parte da nossa diferença individual, como a suscetibilidade a doenças e a resistência a medicamentos. E é possível que a medicina personalizada no futuro provenha não da nossa diversidade genética individual, mas da microbiota que nos compõe.

Fontes:
1. Stilling, R. M., Bordenstein, S. R., Dinan, T. G. & Cryan, J. F. Friends with social benefits: host-microbe interactions as a driver of brain evolution and development? Front. Cell. Infect. Microbiol. 4, (2014).
2. Suez, J. et al. Artificial sweeteners induce glucose intolerance by altering the gut microbiota. Nature 514, 181–186 (2014).