Fundamentos da Genômica Comparativa
Autor: Prós | Publicado: 2010-08-09T11:17:00-07:00

Acredito que a genômica será dentro de alguns anos considerada uma das mais profícuas áreas científicas do século XXI. Ela fornece informações importantíssimas para a compreensão da vida e dada a extrema facilidade com que a tecnologia tem nos permitido identificar e sequenciar os genomas -- na era do next-generation sequencing --, cada vez mais a comparação entre genomas de diferentes espécies se mostrará fundamental para compreendermos a relação entre genótipo e fenótipo, além do estudo da complexa ecologia molecular presente dentro das células das diferentes espécies de organismos que habitam nosso planeta. A cibernética e a linguística molecular sem dúvida trarão grandes avanços no decorrer das próximas décadas, onde aprenderemos a melhor compreender os códigos informacionais presentes nos organismos biológicos.Interessado que sou sobre o assunto "Genômica comparativa", entrei no amazon para procurar alguma obra sobre este assunto. Encontrei o livro "Foundations of Comparative Genomics", de Arcady R. Mushegian e não hesitei em adquirí-lo. Ao que parece Mushegian é um aluno, ou simplesmente colaborador daquele que é, na minha opinião, o maior pesquisador em evolução do genoma e chefe de pesquisa (principal investigator) no NCBI, Eugene Koonin. A excelente obra trata do assunto da análise e comparação de genomas ante uma óptica evolutiva, considerando tanto uma semântica informacional contida nas moléculas quanto uma relação entre a homologia (ancestralidade comum) entre sequências e a estrutura e função de moléculas biológicas.De forma a tentar estimular o leitor a adquirir tal obra, apresento aqui a tradução do primeiro capítulo do livro que será discutida entre meus alunos da disciplina Filogenia Molecular e Genômica Comparativa, da pós-graduação em Ciências Genômicas e Biotecnologia da Universidade Católica de Brasília. Espero que autor nem editora se incomodem com a publicação desta tradução; recomendo a aquisição do livro, que pode ser realizada clicando aqui. Caso haja interesse de alguma editora, eu estaria disposto a traduzir outros capítulos para quem sabe culminar em uma edição em português da obra.A obra Fundamentos da Genômica Comparativa apresenta diversos pontos importantes na discussão sobre a comparação entre sequências genômicas de diversos organismos, incluindo o estudo da informação (semântica) presente em sequências de macromoléculas, a inferência de função gênica baseada em similaridade informacional, o estudo de genes parálogos e ortólgos, além de diversos outros aspectos importantes nesta nova ciência informacional de comparação entre códigos teleonômicos para os organismos vivos.Capítulo 1: O surgimento da genômica computacionalDe Arcady R. Mushegian Traduzido por este blogueiro: Francisco ProsdocimiPara adquirir o livro, clique aquiHistoriadores de ciências podem discordar sobre quando a genômica evolutiva computacional tenha de fato se iniciado. Alguns podem associar o verdadeiro ponto de início com o trabalho dos geneticistas Alfred Sturtevant e Theodosius Dobzhansky, ou com as publicações do estatístico Robert Fisher. Outros poderão dizer que a genômica estaria incompleta sem a análise em nível molecular que marca o início de sua era. De acordo com a seguinte citação de Francis Crick (1958):"Os biológos devem perceber que muito em breve teremos um assunto que poderá ser chamado de 'taxonomia de proteínas' -- o estudo da sequências de aminoácidos das proteínas e a comparação destas entre as espécies. Pode-se argumentar que essas sequências serão consideradas as mais delicadas expressões possíveis do fenótipo de um organismo e que grandes quantidades de informação evolutiva podem estar escondidas ali."Entretanto, acredito que a maioria das pessoas concordaria que vários trabalhos publicados entre os anos de 1962 e 1965 por Linus Pauling e Emile Zuckerkandl foram extremamente importantes enquanto marco histórico. Um artigo em particular, "Moléculas como documentos da história evolutiva" (Zuckerkandl e Pauling, 1965), abriu portas para grande parte dos trabalhos futuros que serão descritos neste livro. As circunstâncias de sua publicação são também alvo de interesse: ainda que escrito em 1963, o artigo apareceu primeiramente em 1964 numa tradução russa, em uma monografia dedicada a Alexei Nikolaevich Oparin, verdadeiro pioneiro no estudo experimental da síntese de proteínas abiótica (Oparin, 1953). Oparin, infelizmente, também endorsou e ajudou a reforçar a pseudo-ciência de Lysenko durante seus serviços na Academia Soviética de Ciências entre os anos 1940 e 1960 (Lewontin e Levins, 1976; Jukes, 1997).Emile Zuckerkandl (1922-) é um dos fundadores dos estudos de evolução em nível molecular. Tendo desenvolvido teoricamente os fundamentos para a comparação entre sequências de biomoléculas, seu artigo original "Moléculas como documentos da história evolutiva" influenciou uma infinidade de biológos moleculares sedentos por compreender e interpretar as similaridades de sequências entre os genomas dos organismos biológicos. Junto com Linus Pauling é um dos pesquisadores que sugeriu a idéia do relógio molecular e ajudou no entendimento das informações moleculares enquanto peças de uma gramática biológica. De fato, seus trabalhos não me parecem ter sido levados verdadeiramente a sério; e uma nova ciência semântico-molecular ainda me parece estar para surgir. (Esta foto/informação não faz parte da obra impressa e foram adicionadas por este blogueiro.)A pesquisa originalmente publicada naquele tão improvável local (a versão original em inglês iria sair em 1965) soava profética. Se delinearmos as principais idéias daquele trabalho, veremos que a densidade de novas idéias encerradas naquele artigo de 10 páginas é assustadora:1. Os autores usam a palavra "semântica" 72 vezes ao falarem de genes e produtos gênicos. Eles falam sobre semantídeos de DNA, RNA, e proteínas, ou unidades carregadoras de sentido. De maneira diferente da utilização moderna da palavra, que essencialmente relaciona a semântica ao relativismo pós-moderno (ou seja, "vamos discutir a substância e não argumentar sobre a semântica"), Pauling e Zuckerkandl levaram a semântica muito a sério. E é exatamente isso que deveríamos também fazer: por definição (e como foi compreendido pelos leitores no início da década de 60), semântica é o estudo do significado das unidades carreadoras de sentido presentes em uma linguagem ou em um código qualquer. O significado das palavras -- e dos genes -- é exatamente o que queremos descobrir.2. Existem diferenças mesmo entre unidades carreadoras de sentido altamente similares. Essas diferenças são produzidas por processo genéticos, como substituições nucleotídicas, inserções, deleções e rearranjo de grandes fragmentos de DNA. Sentido, ou significado, dos genes e de seus produtos podem ser extraídos através da comparação de moléculas relacionadas, detectando as diferenças entre elas e computando informações sobre estas diferenças.3. Biopolímeros contém informações sobre evolução, em três níveis: (1) o tempo de existência da molécula ancestral; (2) o que era a sequência, e (3) a linha de descendência a partir do ancestral até cada uma das moléculas contemporâneas.4. Algumas unidades carregadoras de sentido carregam menos sentido do que outras. Por exemplo, biopolímeros simples, construídos através da repetição de poucos blocos (nucleotídicos ou aminoacídicos), podem ser uma boa fonte de informação sobre processos evolutivos complexos. 5. Mudanças em biopolímeros podem ser de diferentes tipos. Algumas das mudanças são benéficas e favorecidas pela seleção, enquanto outras não afetam o fenótipo e podem ser consideradas como polimorfismos crípticos. Uma razão pela qual algumas mudanças genéticas podem não ter fenótipo associado é a degeneração do código genético: um mesmo aminoácido pode ser codificado por diferentes combinações de nucleotídeos. Outra razão é a degeneração nas sequências de proteínas com relação à estrutura tridimensional e à função protéica: a mesma estrutura pode ser alcançada por diferentes combinações de aminoácidos. Análises dessas diferentes soluções para o mesmo problema podem resultar em uma melhor compreensão das relações entre genétipo e fenótipo.6. Mutações gênicas e duplicação de genes completos podem colocar determinados genes em estágios "dormentes". É provável que genes dormentes possam ser reativados após acumularem mutações, e esta reativação pode ser uma fonte importante de novidades evolutivas.7. Sequências que estiverem fora de regiões codificadoras de proteínas podem ter uma função regulatória e podem evoluir diferentemente de regiões codificadoras de proteínas. Outras regiões não-codificantes podem não ter qualquer função e mutações nessas regiões estarão livres da ação da seleção natural.8. Compostos químicos podem ser sintetizados por mais de uma via bioquímica. Portanto, a convergência funcional em nível molecular é esperada, tanto em nível de vias quanto em nível de reações bioquímicas individuais.Portanto, os autores entendem a biologia evolutiva molecular como uma ciência da informação e pensam que uma atenção especial deve ser dada para distinguir o sinal do ruído nas unidades carregadoras de informação. Biólogos, químicos, engenheiros, matemáticos e cientistas da computação que trabalham na análise de genomas hoje estão de fato implementando um programa de pesquisa que, embora muitos não saibam, começou com Zuckerkandl e Pauling.Linus Pauling (1901-1994) foi um químico e pacifista americano, um dos únicos indivíduos a receber dois prêmios Nobel e sem dúvida um dos maiores cérebros do século XX. Tendo desenvolvido o famoso diagrama de Pauling com a ordem de preenchimento dos elétrons em orbitais atômicos, Pauling ganhou seu primeiro prêmio nobel com a descoberta da estrutura em alfa-hélice das proteínas. Tendo uma vez adentrado a biologia, nunca mais saiu. Junto com Zuckerkandl forneceu os princípios teóricos para a comparação de sequências moleculares e o estudo evolutivo destas moléculas. (Esta foto/informação não faz parte da obra impressa e foram adicionadas por este blogueiro.)Este livro não é uma exceção. Praticamente todos os capítulos se relacionam a esse assunto e teem como base as idéias presentes no trabalho seminal de Zuckerkandl e Pauling. Os capítulos 2 e 3 discutirão abordagens práticas para a comparação de sequências (ponto 2 descrito anterioremente). Inferências evolutivas geradas a partir dessas comparações (ponto 3) e a relação entre sinal e ruído na comparação de sequências (ponto 4) serão discutidos praticamente em todos os capítulos. As questões de convergência funcional (ponto 8) são de importância primordial nos capítulos 6, 7 e 9. Polimorfismos crípticos (ponto 5) são discutidos nos capítulos 9 e 10 em ligação com a questão da degeneração sequência-estrutura-função. Finalmente, "o que eram os ancestrais" (ponto 3) é tema central dos capítulos 11 a 13. Mesmo o capítulo 14, que trata de dados numéricos em escala genômica, tem inspiração em abordagens de análise comparativa de sequências vislumbradas por Pauling e Zuckerkandl.As técnicas de comparação de sequências biológicas não foram discutidas de forma alguma no trabalho "Moléculas como documentos da história evolutiva", mas o objetivo principal de encontrar fragmentos similares em pares de sequências foi apresentado muito claramente.A similaridade de sequências está no coração de toda biologia, não apenas da genômica comparativa. A seguinte afirmação foi chamada de "o primeiro fato na análise de sequências biológicas" por Dan Gusfield (1997) na Universidade da Califórnia, em Davis:"Em sequências biomoleculares, uma alta similaridade de sequência frequentemente implica em grande similaridade funcional e estrutural."O "primeiro fato" pode ser entendido como um dos mais fundamentais fatos com relação à nossa compreensão da vida. A maioria dos biólogos, entretanto, não hesitaria em adicionar o seguinte:"Em sequências biomoleculares, alta similaridade de sequência também implica, muito freqüentemente, em relação evolutiva."As duas afirmações, ainda que similares na forma, são de fato distintas -- e de uma maneira um tanto quanto fundamental. A estrutura de uma molécula biológica, como uma proteína, é algo que pode ser fisicamente definido. Se temos (i) uma amostra pura desta proteína, (ii) um local tranquilo para crescermos cristais, e (iii) uma linha de luz sincrotron, podemos determinar a estrutura da molécula protéica, pelo menos em princípio. Desconsiderando alguns detalhes técnicos, o mesmo equipamento faria o serviço para qualquer proteína. De fato, enquanto escrevo essas linhas, os desafios para a produção de estruturas de proteínas em larga-escala estão avançando cada vez mais através dos projetos de genômica estrutural (Chandonia e Brenner, 2006). A função, entretanto, não é uma característica física mas uma descrição de determinado processo; portanto a função pode ser definida apenas dentro de um contexto biológico. Assim é preciso considerar que a função de uma proteína envolve a interação com outras moléculas que precisam ser identificadas e incluídas na descrição da função. Normalmente, para se definir a função biológica de uma sequência, é preciso monitorar as interações de muitos componentes num extrato celular, na célula inteira, nos organismos vivos, ou dentro de um ecossistema no qual o organismo seja uma parte. Logo que a função de uma proteína é realizada, sua estrutura pode mudar. Então, quando nós dizemos no dia-a-dia "estrutura e função", estamos de fato falando sobre muitas coisas. E o fato de que a similaridade de sequência pode ser usada para realizar inferências sobre todas as diferentes propriedades de uma unidade carregadora de sentido -- desde as propriedades físicas das moléculas até a relação com seu ambiente -- não é absolutamente tão trivial. O "segundo fato" também não é trivial: a despeito de propriedades funcionais ou estruturais mais ou menos observáveis (com a exceção de raros casos nos quais a sequência de DNA ou proteína ancestral tenha sobrevivido em proteínas antigas ou biópsias), ainda assim não hesitamos em inferir este tipo de ancestral a partir da similaridade de sequências.Portanto, com base na similaridade de sequência, chegamos a conclusões sobre (1) similiridade de estrutura; (2) similaridade de função; e (3) ancestralidade comum. Tais inferências estão no coração da biologia computacional; a maioria dos biólogos a faz todos os dias e quase todos os temas deste livro são baseados neste tipo de inferências. Mas como fazemos tais inferências na prática?Inicialmente, as afirmações sobre estrutura e função parecem derivar da similaridade de sequências de forma muito natural. Sem dúvida, essas afirmações são suficientes para direcionar uma corroboração experimental. Mas de fato, a inferência de estrutura e função é inseparável da inferência evolutiva. De fato, quando sequencias de dois biopolímeros são comparadas, nosso caminho a partir da similiaridade de sequência até chegar à conclusão sobre similaridade funcional e estrutural nunca é direta. Inversamente, sempre inferimos primeiramente a ancestralidade comum entre sequências e, só a partir daí é que se pode partir para a inferência de estrutura e função. Essa lógica [evolução primeiro, inferência depois] não é óbvia quando a similaridade é muito alta, mas se duas sequências são mais distantemente relacionadas uma à outra (como no caso da maioria das comparações de sequência hoje), essa cadeia de raciocínio precisa tornar-se explícita. De fato, medimos a similaridade entre sequências e imediatamente usamos estatísticas para comparar a similaridade observada com o que seria esperado ao acaso (veja discussão no capítulo 2). Se a similaridade é muito alta para ocorrer ao acaso, isso é frequentemente considerado suficiente para a realização de predições sobre a função protéica (veja discussão nos capítulos 5-8) e estrutura (veja capítulo 9). Mas a única razão pela qual este raciocínio funciona é porque a única forma de uma similiaridade de sequência não-aleatória ocorrer é através da descendência a partir de um ancestral comum das duas sequências. Isto é a inferência por homologia (capítulo 3). Portanto, a inferência das relações evolutivas, que parece ser a menos observável de todas, torna-se um pré-requisito para a proposição de outras relações mais diretamente observáveis, como a estrutura e a função.Considere o alinhamento de três sequências, A', A'' e A''' (aqui e em outras partes deste livro usarei letras maiúsculas em fonte normal para indicar genes, e letras maiúsculas em itálico para indicar as espécies nas quais esses genes são encontrados). Suponha que estas três sequências venham de três espécies diferentes, uma de cada, e somente a função de A' tenha sido estudada. Suponha que A' e A'' são praticamente idênticas e que a terceira sequência A''' seja menos parecida, mas ainda sim bastante próxima a A' e A''. Usaremos essa informação para inferir ancestralidade comum e função comum a todas essas sequências? Parece que não precisamos que todos os resíduos de aminoácidos sejam conservados entre A' e A'' para determinar que eles possuem ancestralidade comum; por exemplo, podemos não considerar os sítios conservados exclusivamente entre A' e A'' porque não precisamos destes resíduos para reconhecer a similaridade entre A' e a sequência mais distante A''', tanto quanto a similaridade entre A'' e A'''. De outra forma, quando fazemos a seguinte inferência: "as sequências proximamente relacionadas A' e A'' são mais prováveis de apresentarem a mesma função, mas a sequência mais distante A''' pode apresentar uma função diferente" nós, na verdade, estamos usando a informação sobre os sítios conservados apenas entre A' e A'', mas não entre cada uma delas de A'''. Assim, as informações evolutivas, estruturais e funcionais estão entremeadas nas sequências de forma sutil.O contrário do "primeiro fato da análise de sequências" não é verdade: proteínas com funções similares não precisam ter sequências similares, e proteínas com estruturas similares também podem apresentar sequências diferentes (isso é discutido em muito mais detalhe nos capítulos 6 a 9). Também o reverso do fato dois é falso: existe uma conexão evolutiva entre duas sequências, mas, se essas sequências divergiram demais, a similaridade de sequência entre elas não será distinguível do valor de similaridade aleatório (isso será discutido em maiores detalhes no capítulo 2). Note que se invertermos este segundo caso estaremos tratando com uma relação que ainda existe, mesmo se a similaridade de sequência foi misturada com o ruído. Já a reversão do primeiro fato é mais dramática: proteínas apresentando funções similares podem ter perdido a similaridade de sequência mas, de outra forma, elas podem não ter jamais compartilhado similaridades mas terem convergido para a mesma função a partir de sequências completamente divergentes evolutivamente. Este princípio se aplica a estruturas também: a similaridade de estruturas na ausência de similaridade de sequência pode representar tanto a extrema divergência de sequencias que foram inicialmente similares quanto a convergência de sequências que não eram similares inicialmente (veja discussão nos capítulos 6, 9 e 10). A distinção entre divergência e convergência em nível molecular é um dos problemas mais importantes da biologia computacional.Todas essas considerações são diferentes facetas do mais importante postulado de Pauling e Zuckerkandl: os biopolímeros contêm informação sobre sua evolução, estrutura e função; e esses três tipos de sinal podem interagir em diferentes formas, algumas vezes aumentando e outras vezes interferindo umas com as outras. Num certo sentido, toda a biologia das últimas poucas décadas tem sido dominada pela busca de formas de extrair e analisar os sinais contidos nas sequências biomoleculares. A genômica é uma continuação deste esforço nos nossos tempos, quando a composição genética completa para muitas espécies é conhecida. Ao mesmo tempo, a genômica oferece ainda mais. Muitas vezes neste livro retornarei ao argumento de que, com os genomas completos podemos responder muitas questões que não poderíamos responder antes, ou que não poderíamos sequer pensarmos em fazê-las. Esta é a nova era da biologia -- a era dos genomas completos.Sequências de genes, genomas e proteínas não são os únicos tipos de dados que são de interesse para a genômica. Novas tecnologias permitem-nos coletar informações sobre a ocorrência e organização espacial de genes e sequências regulatórias; a concentração de diferentes moléculas nas células, órgãos e amostras biológicas (as medições de niveis de mRNA, coletadas com a ajuda de máquinas de microarranjos, consistem no mais famoso, porém não no único, exemplo deste tipo de dados); a morfologia celular e as respostas fisiológicas; e assim por diante. Esta informação normalmente toma forma de linhas e colunas de números. Pode parecer que Zuckerkandl e Pauling não tivessem muito a dizer sobre esses dados, que de qualquer forma não se apresentam na forma de unidades carregadoras de informação. Mas no capítulo 14, eu argumentarei que a análise dessas medidas genômicas de larga escala também deve muito à nossa experiência adquirida nas comparações de sequências.-- Direitos autorais para a língua inglesa --Hardcover: 280 pagesPublisher: Academic Press; 1 edition (April 13, 2007)Language: EnglishISBN-10: 0120887940ISBN-13: 978-0120887941Product Dimensions: 10.7 x 7.4 x 0.9 inchesShipping Weight: 1.6 poundsPara adquirir o livro, clique aqui