Ciência e Espaço

Polvos e lulas são mestres na edição de RNA, deixando o DNA intacto

Muitos escritores reclamam quando um editor faz uma mudança em uma história, mas as consequências de mudar uma única palavra geralmente não são tão terríveis.

Não é assim com as instruções genéticas para produzir proteínas. Mesmo uma pequena mudança pode impedir que uma proteína faça seu trabalho corretamente, com consequências possivelmente fatais. Apenas ocasionalmente uma mudança é benéfica. Parece mais sensato preservar as instruções genéticas conforme são escritas. A menos que você seja um polvo.

Os polvos são como alienígenas vivendo entre nós – eles fazem muitas coisas de maneira diferente dos animais terrestres ou mesmo de outras criaturas marinhas. Seus tentáculos flexíveis provam o que tocam e têm mente própria . Os olhos dos polvos são daltônicos, mas sua pele pode detectar a luz por conta própria ( SN: 27/06/15, p. 10 ). Eles são mestres do disfarce, mudando a cor e a textura da pele para se misturar com o ambiente ou assustar os rivais . E, mais do que a maioria das criaturas, os polvos esguicham o equivalente molecular da tinta vermelha sobre suas instruções genéticas com espantoso abandono, como um copidesque enlouquecido.

Essas edições modificam o RNA, a molécula usada para traduzir as informações do projeto genético armazenado no DNA, deixando o DNA inalterado.

Os cientistas ainda não sabem ao certo por que os polvos e outros cefalópodes sem casca, incluindo lulas e chocos, são editores tão prolíficos. Os pesquisadores estão debatendo se essa forma de edição genética deu aos cefalópodes uma perna evolutiva (ou tentáculo) ou se a edição é apenas um acidente às vezes útil. Os cientistas também estão investigando quais consequências as alterações do RNA podem ter sob várias condições. Algumas evidências sugerem que a edição pode dar aos cefalópodes um pouco de sua inteligência , mas pode custar atrasar a evolução em seu DNA ( SN: 29/04/17, p. 6 ).

“Esses animais são simplesmente mágicos”, diz Caroline Albertin, bióloga de desenvolvimento comparativo do Laboratório de Biologia Marinha em Woods Hole, Massachusetts. “Eles têm todo tipo de soluções diferentes para viver no mundo de onde vêm.” A edição de RNA pode ajudar a dar às criaturas um grande número de soluções para problemas que possam enfrentar.

Ao contrário de outros animais com simetria bilateral, os polvos não rastejam em uma direção predeterminada. Vídeos de polvos rastejando mostram que eles podem se mover em qualquer direção em relação ao corpo e mudam de direção independentemente de girar o corpo. No clipe, a seta verde marca a orientação do corpo do polvo e uma seta azul marca a direção em que ele está rastejando.

Como os cefalópodes modificam seu RNA

O dogma central da biologia molecular sustenta que as instruções para construir um organismo estão contidas no DNA. As células copiam essas instruções em RNAs mensageiros, ou mRNAs. Em seguida, o maquinário celular chamado ribossomo lê os mRNAs para construir proteínas ao encadear os aminoácidos. Na maioria das vezes, a composição da proteína está de acordo com o modelo de DNA para a sequência de aminoácidos da proteína.

Mas a edição do RNA pode causar divergências nas instruções do DNA, criando algumas proteínas que possuem aminoácidos diferentes dos especificados pelo DNA.

A edição modifica quimicamente um dos quatro blocos de construção do RNA, ou bases. Essas bases são frequentemente referidas pelas primeiras letras de seus nomes: A, C, G e U, para adenina, citosina, guanina e uracila (a versão do RNA da base timina do DNA). Em uma molécula de RNA, as bases estão ligadas a açúcares; a unidade adenina-açúcar, por exemplo, é chamada de adenosina.

Existem muitas maneiras de editar letras de RNA. Os cefalópodes se destacam em um tipo de edição conhecido como adenosina para inosina, ou edição A-para-I. Isso acontece quando uma enzima chamada ADAR2 retira um nitrogênio e dois átomos de hidrogênio da adenosina (o A). Esse peeling químico transforma a adenosina em inosina (I).

Os ribossomos lêem a inosina como guanina em vez de adenina. Às vezes, essa mudança não tem efeito na cadeia de aminoácidos da proteína resultante. Mas, em alguns casos, ter um G onde deveria estar um A resulta na inserção de um aminoácido diferente na proteína. Essa edição de RNA que altera proteínas é chamada de recodificação de RNA.

Os cefalópodes de corpo mole adotaram a recodificação de RNA com todos os seus braços, enquanto mesmo espécies intimamente relacionadas são mais hesitantes em aceitar reescritas, diz Albertin. “Outros moluscos parecem não fazer isso” na mesma medida.

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A edição de RNA não se limita a criaturas das profundezas. Quase todos os organismos multicelulares têm uma ou mais enzimas de edição de RNA chamadas enzimas ADAR, abreviação de “adenosina desaminase que atua no RNA”, diz Joshua Rosenthal, neurobiólogo molecular também do Laboratório de Biologia Marinha.

Os cefalópodes têm duas enzimas ADAR. Os humanos também têm versões deles. “Em nossos cérebros, editamos uma tonelada de RNA. Fazemos muito isso ”, diz Rosenthal. Na última década, os cientistas descobriram milhões de locais nos RNAs humanos onde ocorre a edição.

Mas essas edições raramente alteram os aminoácidos em uma proteína. Por exemplo, Eli Eisenberg, da Universidade de Tel Aviv, e seus colegas identificaram mais de 4,6 milhões de locais de edição em RNAs humanos. Desses, apenas 1.517 recodificam proteínas , relataram os pesquisadores no ano passado na Nature Communications . Desses locais de recodificação, até 835 são compartilhados com outros mamíferos, sugerindo que as forças evolutivas preservaram a edição nesses locais.

Os cefalópodes levam a recodificação de RNA a um nível totalmente novo, diz Albertin. A lula Longfin ( Doryteuthis pealeii ) tem 57.108 locais de recodificação , Rosenthal, Eisenberg e colegas relataram em 2015 no eLife . Desde então, os pesquisadores examinaram várias espécies de polvos, lulas e chocos, cada vez encontrando dezenas de milhares de locais de recodificação.

Os cefalópodes de corpo mole ou coleoides podem ter mais oportunidades de edição do que outros animais devido ao local onde pelo menos uma das enzimas ADAR, ADAR2, está localizada na célula. A maioria dos animais edita RNAs no núcleo – o compartimento onde o DNA é armazenado e copiado em RNA – antes de enviar as mensagens para encontrar os ribossomos. Mas os cefalópodes também têm as enzimas no citoplasma , os intestinos gelatinosos das células, descobriram Rosenthal e seus colegas ( SN: 25/04/20, p. 10 ).

A edição de enzimas em dois locais não explica completamente por que a recodificação do RNA dos cefalópodes supera a dos humanos e de outros animais. Nem explica os padrões de edição que os cientistas descobriram.

A edição de RNA pode dar flexibilidade aos cefalópodes

A edição não é uma proposta de tudo ou nada. Raramente todas as cópias de um RNA em uma célula são editadas. É muito mais comum que alguma porcentagem de RNAs seja editada enquanto o restante retém suas informações originais. A porcentagem, ou frequência, de edição pode variar amplamente de RNA para RNA ou entre células ou tecidos, e pode depender da temperatura da água ou de outras condições. Em lulas longfin, a maioria dos sites de edição de RNA foram editados 2 por cento ou menos do tempo , Albertin e colegas relataram no ano passado na Nature Communications . Mas os pesquisadores também encontraram mais de 205.000 sites que foram editados 25% do tempo ou mais.

Na maior parte do corpo de um cefalópode, a edição de RNA não costuma afetar a composição das proteínas. Mas no sistema nervoso, é uma história diferente. Nos sistemas nervosos das lulas longfin, 70% das edições nos RNAs produtores de proteínas recodificam as proteínas. E os RNAs no sistema nervoso do polvo de duas manchas da Califórnia ( Octopus bimaculoides ) são recodificados de três a seis vezes mais do que em outros órgãos ou tecidos.

lula longfin
A lula longfin recodifica o RNA em mais de 50.000 locais. A recodificação do RNA pode ajudar a lula a responder com mais flexibilidade ao seu ambiente, mas se a recodificação tem valor evolutivo ainda não está claro.ELAINE BEARER

Alguns mRNAs têm vários locais de edição que alteram os aminoácidos nas proteínas que os mRNAs codificam. No sistema nervoso da lula, por exemplo, 27% dos mRNAs têm três ou mais locais de recodificação. Alguns contêm 10 ou mais desses sites. Combinações desses sites de edição podem resultar em várias versões de uma proteína sendo produzida em uma célula.

Ter uma ampla seleção de proteínas pode dar aos cefalópodes “mais flexibilidade em responder ao ambiente”, diz Albertin, “ou dar a você uma variedade de soluções para o problema à sua frente”. No sistema nervoso, a edição de RNA pode contribuir para a flexibilidade no pensamento, o que pode ajudar a explicar por que os polvos podem abrir gaiolas ou usar ferramentas, pensam alguns pesquisadores. A edição pode ser uma maneira fácil de criar uma ou mais versões de uma proteína no sistema nervoso e outras diferentes no resto do corpo, diz Albertin.

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Quando os seres humanos e outros vertebrados têm versões diferentes de uma proteína, muitas vezes vem de ter várias cópias de um gene. Duplicar, triplicar ou quadruplicar as cópias de um gene “resulta em todo um parque de diversões genético para permitir que os genes atuem e executem diferentes funções”, diz Albertin. Mas os cefalópodes tendem a não duplicar genes. Em vez disso, suas inovações vêm da edição.

E há muito espaço para inovação. Na lula, os mRNAs para a construção da proteína alfa-espectrina têm 242 sítios de recodificação . Todas as combinações de sites editados e não editados teoricamente poderiam criar até 7 x 10 72 formas da proteína, relatam Rosenthal e Eisenberg na edição deste ano da Revisão Anual de Biociências Animais . “Para colocar esse número em perspectiva”, escreveram os pesquisadores, “basta dizer que ele supera o número de todas as moléculas de alfa-espectrina (ou, nesse caso, todas as moléculas de proteína) sintetizadas em todas as células de todas as lulas que já viveu em nosso planeta desde o início dos tempos.”

Esse incrível nível de complexidade só seria possível se cada local fosse independente, diz Kavita Rangan, bióloga molecular da Universidade da Califórnia, em San Diego. Rangan tem estudado a recodificação de RNA em lulas de mercado da Califórnia ( Doryteuthis opalescens ) e em lulas longfin. A temperatura da água aciona a lula para recodificar proteínas motoras chamadas cinesinas que movem a carga dentro das células.

Na lula longfin, o mRNA que produz a cinesina-1 tem 14 locais de recodificação, descobriu Rangan. Ela examinou mRNAs do lobo óptico – a parte do cérebro que processa a informação visual – e do gânglio estrelado, uma coleção de nervos envolvidos na geração das contrações musculares que produzem jatos de água para impulsionar a lula.

Cada tecido produziu várias versões da proteína. Mas certos sites tendem a ser editados juntos , Rangan e Samara Reck-Peterson, também da UC San Diego, relataram em setembro passado em uma pré-impressão publicada online em bioRxiv.org. Seus dados sugerem que a edição de alguns sites é coordenada e “rejeita veementemente a ideia de que a edição é independente”, diz Rangan. “A frequência dos combos que vemos não corresponde se cada site for editado independentemente.”

Juntar sites de edição pode impedir que lulas e outros cefalópodes alcancem os pináculos de complexidade de que teoricamente são capazes. Ainda assim, a edição de RNA fornece aos cefalópodes uma maneira de experimentar muitas versões de uma proteína sem ficar preso a uma mudança permanente no DNA, diz Rangan.

Essa falta de comprometimento intriga Jianzhi Zhang, um geneticista evolutivo da Universidade de Michigan em Ann Arbor. “Não faz sentido para mim”, diz ele. “Se você deseja um determinado aminoácido em uma proteína, deve alterar o DNA. Por que você muda o RNA?

Existe valor evolutivo na edição de RNA?

Talvez a edição de RNA forneça alguma vantagem evolutiva. Para testar essa ideia, Zhang e o então estudante de pós-graduação Daohan Jiang compararam sites “sinônimos”, onde as edições não alteram os aminoácidos, com sites “não-sinônimos” onde a recodificação acontece. Como as edições de sinônimos não alteram os aminoácidos, os pesquisadores consideraram essas edições neutras no que diz respeito à evolução. Em humanos, a recodificação, ou edição não sinônima, ocorre em menos locais do que a edição sinônima, e a porcentagem de moléculas de RNA editadas é menor do que nos locais sinônimos.

“Se assumirmos que a edição sinônima é como o ruído que acontece na célula, e a edição não sinônima é menos frequente e [em um] nível inferior, isso sugere que a edição não sinônima é realmente prejudicial”, diz Zhang. Embora a recodificação em cefalópodes aconteça com muito mais frequência do que em humanos, na maioria dos casos, a recodificação não é vantajosa ou adaptativa para os cefalópodes, argumentaram os pesquisadores em 2019 na Nature Communications .

Existem alguns sites compartilhados onde polvos, lulas e chocos recodificam seus RNAs, descobriram os pesquisadores, sugerindo que a recodificação é útil nesses casos. Mas esta é uma pequena fração dos sites de edição. Alguns outros sites que são editados em uma espécie de cefalópode, mas não em outras, também são adaptativos, descobriram Zhang e Jiang.

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Se não é tão útil, por que os cefalópodes persistiram com a recodificação do RNA por centenas de milhões de anos? A edição de RNA pode permanecer não porque é adaptativa, mas porque é viciante, diz Zhang.

Ele e Jiang propuseram um modelo que permite danos (ou seja, uma situação que permite alterações nocivas no DNA). Imagine, diz ele, uma situação em que um G (guanina) no DNA de um organismo sofre mutação para um A (adenina). Se essa mutação leva a uma alteração prejudicial de aminoácidos em uma proteína, a seleção natural deve eliminar os indivíduos que carregam essa mutação. Mas se, por acaso, o organismo tiver edição de RNA, o erro no DNA pode ser corrigido editando o RNA, basicamente alterando o A de volta para G. Se a proteína for essencial para a vida, o RNA teria que ser editado em alta níveis de modo que quase todas as cópias sejam corrigidas.

Quando isso acontece, “você está preso ao sistema”, diz Zhang. Agora, o organismo depende da maquinaria de edição de RNA. “Não pode ser perdido, porque você vai exigir que o A seja editado de volta para G para sobrevivência, então a edição será mantida em níveis altos.… No começo você realmente não precisava disso, mas depois que você conseguiu, você tornou-se viciado”.

Zhang argumenta que esse tipo de edição é neutra, não adaptativa. Mas outras pesquisas sugerem que a edição de RNA pode ser adaptativa.

A edição de RNA pode funcionar como uma fase de transição, permitindo que os organismos experimentem uma mudança de adenina para guanina sem fazer uma mudança permanente em seu DNA. Ao longo da evolução, os locais onde as adeninas são recodificadas no RNA em uma espécie de cefalópode são mais prováveis ​​do que as adeninas não editadas de serem substituídas por guanina no DNA de uma ou mais espécies relacionadas , relataram pesquisadores em 2020 no PeerJ . E para sites fortemente editados, a evolução entre os cefalópodes parece favorecer uma transição de A para G no DNA (em vez de citosina ou timina, os outros dois blocos de construção do DNA). Isso favorece a ideia de que a edição pode ser adaptável.

Outro trabalho recente de Rosenthal e colegas, que examinou as substituições de A para G em diferentes espécies, sugere que ter um A editável é uma vantagem evolutiva sobre um A não editável ou um G programado.

Há muitas questões em aberto

As evidências a favor e contra o valor evolutivo da recodificação de RNA vieram principalmente do exame da composição genética total, ou genomas, de várias espécies de cefalópodes. Mas os cientistas gostariam de testar diretamente se os RNAs recodificados têm um efeito na biologia dos cefalópodes. Fazer isso exigirá algumas novas ferramentas e pensamento criativo.

Rangan testou versões sintéticas de proteínas motoras de lulas e descobriu que duas versões editadas que as lulas produzem no frio se moviam mais devagar, mas viajavam mais longe ao longo de trilhas de proteínas chamadas microtúbulos do que as proteínas não editadas. Mas isso é em condições artificiais de laboratório em lâminas de microscópio. Para entender o que está acontecendo nas células, diz Rangan, ela gostaria de poder cultivar células de lula em pratos de laboratório. No momento, ela precisa tirar tecido diretamente da lula e só pode obter instantâneos do que está acontecendo. Células cultivadas em laboratório podem permitir que ela acompanhe o que acontece ao longo do tempo.

Zhang diz que está testando sua hipótese de permitir o dano, fazendo com que o fermento vicie na edição de RNA. A levedura de panificação ( Saccharomyces cerevisiae ) não possui enzimas ADAR. Mas Zhang projetou uma cepa da levedura para transportar uma versão humana da enzima. As enzimas ADAR tornam a levedura doente e crescem lentamente, diz ele. Para acelerar o experimento, a cepa que ele está usando tem uma taxa de mutação acima do normal e pode gerar mutações de G para A. Mas se a edição de RNA puder corrigir essas mutações, a levedura portadora de ADAR pode crescer melhor do que as que não possuem a enzima. E depois de muitas gerações, o fermento pode se tornar viciado em edição, prevê Zhang.

Albertin, Rosenthal e colegas desenvolveram maneiras de alterar os genes da lula com o editor de genes CRISPR/Cas9. A equipe criou uma lula albina usando CRISPR/Cas9 para eliminar ou desativar um gene que produz pigmento. Os pesquisadores podem alterar os locais de edição no DNA ou no RNA e testar sua função, diz Albertin.

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