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Éxons e a estrutura genética

As partes específicas que possuem o código para a tradução das proteínas são chamadas éxons. Aprenda sobre a importância, hipóteses e curiosidades sobre os éxons.

Definimos bem sobre genes em: Gene e o código da vida. Neste texto, abordamos de forma geral a estrutura do gene, falamos sobre o dogma central da biologia molecular, que se constitui de três etapas: Replicação do DNA; Transcrição, onde o DNA fornece o molde para a síntese do RNA mensageiro (mRNA) e Tradução do mRNA em proteína. 

Pois bem, o objetivo aqui, é falarmos sobre as partes específicas que possuem o código para a tradução das proteínas, os éxons. Ocorre que, após a etapa de transcrição, existe uma etapa intermediária, chamada splicing alternativo. Essa etapa consiste na retirada das sequências “não codificadora”, denominadas íntrons. Muito se especula sobre os papéis dos íntrons, mas o que se sabe, é que os íntrons ajudam a regular a produção de diversas proteínas. 

São os éxons que devem permanecer para compor o mRNA maduro. Durante o processamento, o mRNA primário recebe uma molécula 7-metilguanosina na extremidade 5´ e uma poliadenilação na extremidade 3´ (cauda poliA). A figura 1, apresenta o dogma central da biologia molecular e detalha a etapa de maturação do mRNA primário para o mRNA maduro.

éxons
Figura 1. Dogma central da biologia molecular. 1) Replicação: O DNA replica-se; 2) Transcrição: O gene é transcrito pela RNA polimerase, originando o mRNA primário que sofre a maturação em mRNA maduro, que possui os códons; 3) Tradução: A proteína é traduzida pelo RNA transportador (tRNA) que contém os anticódons que se pareiam com os códons auxiliado pelo RNA ribossomal (rRNA).

Hipótese: um gene, um polipeptídeo?

Antigamente era assim a hipótese concebida por George Beadle em 1945, modificando a hipótese que existia na época: Um gene, uma enzima! Posteriormente, diversos estudos mostraram a versatilidade dos genes em produzir, não somente proteínas inteiras, como partes delas e também moléculas de RNA. 

Para manter a complexidade biológica do corpo humano, inicialmente, foi estimado aproximadamente 100.000 genes em nosso DNA. Quando a comunidade científica definiu a existência de aproximadamente 20.000 genes todos ficaram perplexos. Mais tarde, estudos demonstraram que havia uma complexidade ainda maior, pois um único gene seria capaz de originar várias proteínas, a partir da exclusão e inclusão de éxons. A primeira evidência de um gene, várias proteínas, foi mostrada por Berget e colaboradores em 1977, em adenovírus.

Atualmente a ideia concebível é que 95% de todos os genes humanos produzem diferentes variantes de splicing alternativo, onde é definido a exclusão e inclusão de éxons que irão compor o mRNA maduro. Dessa forma, um gene é capaz de produzir não só uma, mas várias proteínas, bem como partes de proteínas e moléculas de RNA. 

Evidências recentes, demonstraram também que splincing alternativo pode ter papel fundamental no desenvolvimento dos fenótipos associados as hallmarks do câncer (angiogênese, evasão do sistema imune, controle da apoptose, regulação do ciclo celular e etc). Além do mais, o banco de dados de mutações humanas mostram diversas alterações nos sítios Exonic Splicings Enhancers (ESEs). Essas mutações nos ESEs podem alterar o processo de splicing.

Embaralhando éxons

Por trás do mecanismo de splicing alternativo está uma intrincada máquina que “corta e embaralha” os éxons dando origem ao mRNA maduro. Podemos definir o mecanismo de splicing em duas etapas: A primeira, os íntrons são reconhecidos e removidos por 5 moléculas de small nuclear RNA (snRNA) de pequeno peso molecular, identificadas como U1; U2; U4; U5 e U6. 

O snRNA é capaz de se ligar a até 150 proteínas, para formar o complexo Spliceossomo. O spliceossomo, por sua vez, reconhece 4 regiões sinalizadoras que estão dispostas ao longo do íntron. Essas regiões que sinalizam para o spliceossomo, são compostas de nucleotídeos específicos. Duas dessas regiões, são altamente conservadas: GU na extremidade 5′ e AG na extremidade 3′ e servem para delimitar as fronteiras (início/fim) dos introns.

Na segunda etapa, mais de 10 proteínas reguladoras de splicing (sr) são expressas em estágios distintos do desenvolvimento do ser humano, dentro do mesmo tecido. Essas proteínas se ligam a pontos específicos de ligação dentro dos éxons, chamados Exonic Splicing Enhancers (ESEs). As proteínas SR quando se ligam aos ESEs, recrutam snRNA do mecanismo basal (etapa anterior) para pontos adjacentes a cada extremidade do éxon. 

Da mesma forma, proteíns SR podem se ligar a sequência Exonic Splicing Silencers (ESS, sigla inglês) dentro do éxon. Isso impede a ligação pelo mecanismo basal nessa região e assim o éxon é removido, não fazendo parte do mRNA maduro. Todo esse mecanismo é conservado indo desde os fungos até os humanos.

É devido a esses mecanismos, que os éxons são ditos como sendo tecido-específico. Isso quer dizer que: Em um tecido, uma sequência pode se comportar como éxon e em outro tecido a mesma sequência pode se comportar como íntron. Isso também pode variar em estágios distintos do desenvolvimento.

Éxons e o exoma

Uma análise feita por Piovesan e colaboradores em 2019, utilizando bancos de dados, revelaram que o genoma humano conta com um total de aproximadamente 562 mil éxons, incluindo os redundantes e não redundantes. (Piovesan et al., 2019). 

Esse aumento significativo em relação aos éxons encontrados em 2003 (233 mil éxons) (Sakharkar et al., 2004), se deve ao aperfeiçoamento das técnicas de sequenciamento e às análises por bioinformática. Por exemplo, o que antes levava anos para sequenciar, hoje leva apenas algumas horas e as análises desses dados são cada vez mais aperfeiçoados. 

Exoma, é o sequenciamento de todos os éxons, ou seja, apenas da região do gene que realmente é traduzida em proteínas. A importância desse sequenciamento é que mutações nos éxons podem perturbar o funcionamento das proteínas e consequentemente nas funções celulares. 

Importância dos éxons e evolução

Sem dúvidas, o mecanismo de splicing alternativo trouxe muitas novidades em termos de proteínas aos animais ainda em evolução. Particularmente nos seres humanos, que possui algo em torno de 20 a 25 mil genes e, ainda não se sabe ao certo, mas algo em torno de 128 mil proteínas (UNIPROT). Domínios protéicos, que trouxeram novas funcionalidades aos humanos, ganharam uma diversidade maior com o embaralhamento dos éxons, dando às proteínas funções mais complexas e refinadas. Isso trouxe uma nova premissa sobre os genes, proteínas e a complexidade do embaralhamento dos éxons: “Quanto mais complexo um organismo, maior a probabilidade de ter se tornado assim ao sintetizar várias proteínas a partir de um único gene”. 

Curiosidades e outras considerações

  • É importante mencionar que o processo de maturação do RNA mensageiro ocorre ainda no núcleo da célula e só a seguir o mRNA maduro é exportado para o citoplasma;
  • O maior gene do genoma humano tem aproximadamente 27 mil pb e possui 9 éxons;
  • Existem genes com mais de 300 íntrons;
  • Éxons separados, facilita a evolução das proteínas, devido à maior probabilidade de eventos evolutivos ocorrerem;
  • Em geral, os éxons possuem aproximados 120 nucleotídeos, enquanto que os íntrons variam de 100 a 100 mil nucleotídeos;
  • Pelo menos 80% a 90% dos genes de seres humanos codificam mais que uma proteína;

O processo de splicing é altamente refinado e ainda muito se desconhece sobre ele. Por exemplo, ainda não é muito bem compreendido, como o complexo spliceossomo é capaz de processar um mRNA primário contendo vários íntrons, ordená-los adequadamente, sem omitir nenhum. Além do mais, as sequências que sinalizam para o complexo spliceossomo podem estar presentes ao longo do gene sem que o complexo spliceossomo se ligue nela.

Referências:

Ast, G. (2005). GENOMA ALTERNATIVO. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL.

Blencowe, B. J. (2000). Exonic splicing enhancers: Mechanism of action, diversity and role in human genetic diseases. In Trends in Biochemical Sciences. https://doi.org/10.1016/S0968-0004(00)01549-8

Carazo, F., Romero, J. P., & Rubio, A. (2018). Upstream analysis of alternative splicing: A review of computational approaches to predict context-dependent splicing factors. Briefings in Bioinformatics. https://doi.org/10.1093/bib/bby005

Fontrodona, N., Aubé, F., Claude, J. B., Polvèche, H., Lemaire, S., Tranchevent, L. C., Modolo, L., Mortreux, F., Bourgeois, C. F., & Auboeuf, D. (2019). Interplay between coding and exonic splicing regulatory sequences. Genome Research. https://doi.org/10.1101/gr.241315.118

França, G. S., Cancherini, D. V., & de Souza, S. J. (2012). Evolutionary history of exon shuffling. Genetica. https://doi.org/10.1007/s10709-012-9676-3

Nilsen, T. W., & Graveley, B. R. (2010). Expansion of the eukaryotic proteome by alternative splicing. In Nature. https://doi.org/10.1038/nature08909

Piovesan, A., Antonaros, F., Vitale, L., Strippoli, P., Pelleri, M. C., & Caracausi, M. (2019). Human protein-coding genes and gene feature statistics in 2019. BMC Research Notes. https://doi.org/10.1186/s13104-019-4343-8Sakharkar, M. K., Chow, V. T. K., & Kangueane, P. (2004). Distributions of exons and introns in the human genome. In Silico Biology.

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