Universidade
Federal de Viçosa
Pós Graduação em Genética e
Melhoramento
FIT 798 – Seminário em Genética e
Melhoramento
Mesa
Redonda: Da Genômica à Biologia de Sistemas: Panorama atual e Perspectivas
Prelecionistas: Camilla Valente Pires
Fernanda Abreu Santana
Janaína P. Marques Tanure
Lorêta Buuda da Matta
Suelen Nogueira Dessaune
Moderadora: Profª. Juliana Lopes Rangel Fietto
Os estudos de sequenciamento de genoma, iniciados nos anos 90,
desenvolveram-se rapidamente e atualmente encontram-se disponíveis as
seqüências de genes de organismos inteiros, como plantas, animais e até mesmo o
genoma humano. A Genômica é a ciência que estuda os genomas, ou seja, o
conjunto de todo o DNA de um organismo. Esta ciência divide-se em genômica estrutural
e genômica funcional. A genômica estrutural estuda a estrutura dos genomas,
enquanto a genômica funcional estuda o funcionamento dos mesmos. Um dos
enfoques da pesquisa genômica é a construção de mapas detalhados de
cromossomos. Os mapas genéticos e físicos facilitam o isolamento e o estudo de
um gene de interesse. Em algumas espécies, os genes e clones podem ser
posicionados em mapas citológicos dos cromossomos por hibridização in situ (Snustad; Simons, 2001).
Diversas técnicas e
programas computacionais são utilizados para o estudo da estrutura dos genomas.
Após a determinação da seqüência de bases do DNA, a próxima etapa inclui a
utilização de programas de bioinformática para organização do genoma,
identificação de regiões codificantes usualmente
chamadas de “quadros abertos de leitura” ou “ORFs”
(sigla de Open reading Frames) e de outras
regiões não codificantes, como regiões repetitivas,
elementos transponíveis etc. A comparação dos genes
presentes no genoma através de pesquisas por similaridade usando as ferramentas
BLAST podem indicar as possíveis funções gênicas relacionadas. Para determinar
a função de um gene predito no genoma, ou seja, qual fenótipo ele especifica,
podem ser utilizadas várias abordagens, como técnicas que provocam a perda de
função por deleção gênica (knockout) ou
inibição da tradução por RNA de interferência (KIM, 2001).
Para o entendimento de diversos processos biológicos, organismos modelos são extensivamente estudados por apresentarem grande simplicidade quando comparados com organismos complexos. Determinadas características podem torná-los altamente atraentes para estes estudos devido às vantagens que eles proporcionam, tais como a pequena duração do ciclo celular, tamanho reduzido, facilidade de manipulação e baixo custo (BOLKER, 1995).
Os principais organismos modelos são Escherichia coli, Saccharomyces
cerevisiae, Arabidopsis
thaliana, Caenorhabditis
elegans e Drosophila melanogaster. Estes organismos possuem o genoma totalmente
seqüenciado e muitos genes conhecidos. Com isso, diversos trabalhos têm
auxiliado nos estudos do comportamento, envelhecimento, desenvolvimento
embriológico e corporal de organismos complexos, busca de novos medicamentos, e
o entendimento de várias doenças humanas graças à grande quantidade de mutantes
disponíveis e ao acúmulo de informação destes organismos modelos (Fields; Johnston, 2005).
A grande importância
de estudos envolvendo organismos modelos se aplica à genômica comparativa. Esta
permite que, a partir de uma seqüência
de um gene recém descoberta, seja possível realizar busca em bancos de dados e
fazer inferências da função desse novo gene a partir da similaridade de
seqüências gênicas conhecidas (Miller
et al., 2004). Contudo,
existe um crescente reconhecimento e entendimento de que tais metodologias
baseadas apenas na seqüência necessitam ser complementadas pela análise direta
dos produtos codificados pelos genes, ou seja por
ferramentas de genômica funcional.
De posse de uma gama enorme de sequências
depositadas em bancos de dados, os geneticistas se depararam com um desafio tão
grande quanto aquele que impulsionou a “Era Genômica”: correlacionar a
estrutura com a função, caracterizando a Genômica Funcional, e dando início à
“Era Pós-Genômica”.
A Genômica Funcional abrange estudos do Transcriptoma, Proteoma, Metaboloma e Biologia de sistemas. Estes estudos utilizam
ferramentas para tentar compreender as mudanças no funcionamento do genoma em
diferentes estágios do desenvolvimento e sob diferentes condições ambientais.
O Transcriptoma corresponde
ao conjunto de RNAs mensageiros que uma célula está expressando
num determinado momento, sob certas condições. Por meio deste é possível
conhecer quais genes são diferencialmente expressos em resposta a diferentes
estímulos, tais como estresses abióticos ou infecção por patógenos;
ou em tipos celulares específicos, como em estudos de diferenciação celular.
Para tal, várias técnicas podem ser empregadas, sendo divididas
em métodos globais e limitados de análise. Dentre os primeiros, pode-se
citar o seqüenciamento de ESTs (Expressed
Sequence Tags), o SAGE
(Serial analysis of gene expression), Differential display,
e o SSH (Supression subtrative hybridization). Dentre os limitados, destacam-se os microarranjos de DNA e nothern blot (ZACHARIAH, G.G.; DHANASEKARAN, N.,
2004).
Proteoma é o estudo do conjunto de proteínas produzidas por parte de um genoma. Em contraste com estudos de uma única proteína, o estudo proteômico visa a identificação do
conjunto de proteínas sintetizadas por uma determinada célula, tecido ou
organismo durante um evento fisiológico específico como diferenciação, resposta
a drogas ou transformação em células cancerosas. Tal estudo permite também
informações sobre a concentração protéica, modificações pós-traducionais
e eventos de splicing. Dentre as técnicas comumente usadas
para separação e identificação de proteínas destacam-se a eletroforese
unidimensional e western blot; e a eletroforese bidimensional
associada à análise por espectrometria de massas (MANN et al., 2000).
Metaboloma é o conjunto de metabólicos (aminoácidos,
nucleotídeos, carboidratos, proteínas, etc) de um organismo.
As maiores dificuldades nesta área são:
participação de um mesmo metabólito em várias vias; relação contexto
fisiológico/nível metabólico; dificuldade em relacionar gene e metaboloma diretamente e em identificar compostos químicos
de baixa massa molecular. Dentro da metabolômica
pode-se fazer análise alvo, que refere-se à
determinação de um grupo de metabólitos pré-definidos, e análise de perfil
metabólico, que analisa o conjunto de todos os metabólitos ou conjuntos
derivados (FIEHN, 2002).
A Biologia de
Sistemas é o estudo das
interações entre os componentes de um sistema biológico, e como essas
interações fazem emergir função e comportamento no sistema (por exemplo, genes,
enzimas e metabólitos numa via metabólica). Para pesquisas nesta área são
necessários dados de Genômica, Transcriptômica, Proteômica, Metabolômica;
formulação de hipóteses; e integração de dados para a geração de redes que
permitam visualização como um todo do sistema o qual se pretende estudar. No
futuro, a informação biológica sinalizará para redes, células, órgãos,
organismos, espécies no seu ambiente e irá promover insights para inovações na experimentação, na tecnologia, na computação
e na sociedade (GE, 2003).
Com o advento de
novas tecnologias no que tange a genômica estrutural, como por exemplo, o pirosequenciamento, o número de organismos seqüenciados
tende a aumentar. Entretanto, para acompanhar essa demanda, a genômica
funcional necessita aumentar a sua capacidade
analítica, através, por exemplo, do desenvolvimento de novas técnicas e o
estabelecimento de novos conceitos.
A bioinformática será
cada vez mais importante em termos de integração da informação, buscando
impulsionar a aquisição de conhecimento sobre os sistemas biológicos para a
geração de novas saídas para problemas na agricultura, medicina, produção de
energia e conservação do meio ambiente. Não sendo mais possível avançar em
biotecnologia sem a integração da tecnologia da informação com a tecnologia
experimental.
De modo geral, a
genômica trará a produção de genótipos superiores que venham a incrementar a
produção mundial de alimentos, com o uso de seleção assistida por marcadores,
transgenia e a mutação induzida. Isso possibilitará o desenvolvimento de
plantas resistentes a doenças e pragas, tolerantes a seca, mais adaptadas às
necessidades nutricionais e ambientais. Permitirá a produção de animais com carnes
melhores, com menos gordura, clones de animais com padrões excepcionalmente
bons, seja na produção de carnes ou leite e até mesmo animais que funcionem
como biofábricas de fármacos ou outros produtos. Além
de ser imprescindível para desenvolver instrumentos baseados no genoma que
beneficiem a saúde humana, como o uso de terapia gênica, testes genéticos e a farmacogenômica.
Referências:
BOLKER,
J. A. Model systems in developmental biology. Bio Essays, v. 17, p. 451-455. (1995).
FIEHN, O. Metabolomics
– the link between genotypes and phenotypes. Plant Molecular Biology, v. 48,
p.155-171. 2002.
FIELDS, S.;
GE H., WALHOUT A.J.M., VIDAL
M.. Integrating ‘omic’
information: a bridge between genomics and systems biology. Trends in Genetics v.
19, p.551-560. 2003.
KIM, S. K. C. elegans:
Mining the functional genomic landscape. Nature Rewies, v. 2, p.
681-689. 2001.
MILLER, W.; MAKOVA, K. D., NEKRUTENKO, A,.
HARDISON R. C. Comparative Genomics, Annu. Rev. Genomics
Human Genetic, v.5, p.15–56. 2004.
PANDEY, A.; MANN, M. Proteomics
to study genes
and genomes. Nature,
v.405, p.837-846. 2000.
SNUSTAD, P.; SIMMONS, M. J. Fundamentos de Genética. Ed. Guanabara Koogan S.A. Rio de Janeiro, RJ, 2001. 756p.
ZACHARIAH, G.G.;
DHANASEKARAN, N. The Microrevolution:
Applications and Impacts of Microarray Technology on Molecular Biology and
Medicine. International Journal of
Molecular Medicine, v.13, p. 483-495. 2004.
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Camilla Valente Pires Fernanda Abreu Santana Janaína
P. M. Tanure
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Lorêta Buuda da Matta Suelen
Nogueira Dessaune
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Profª.
Juliana Lopes Rangel Fietto