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O controle da Expressão Gênica

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1 O controle da Expressão Gênica em Qua Jun 08, 2016 1:24 pm

Admin


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O controle da Expressão Gênica

http://elohim.heavenforum.org/t242-o-controle-da-expressao-genica

Vamos supor, você vai para ouvir uma Orchestra. Todos os músicos entram no palco, e no final, em vez de entrar o diretor ou condutor da Orchestra, entra um Robô em forma humana. E ele começa e conduz a Orchestra com perfeição, cada músico tocando o instrumento no momento certo, e em harmonia com os outros. A pergunta : Qual é a probabilidade maior: Que um ser humano inteligente programou o robô para conduzir a Orchestra, ou será que uma sequencia aleatória de instruções , por mero acaso, seria capaz de fazer com que a Orchestra iria tocar a quinta sinfonia de Beethoven com afinco ?

Este exemplo mostra o que acontece na célula. A informação armazenada no  DNA é o ponto de partida, para produção  das proteínas necessárias para a formação das células biológicas. Apesar disso, uma descrição completa da sequência de DNA de um organismo - seja ela de alguns milhões de nucleotídeos, como em uma bactéria, ou de alguns bilhões de nucleotídeos, como em um humano - não nos possibilita reconstruir o organismo, assim como uma lista de palavras em inglês não nos permite reconstruir uma peça de Shakespeare. Em ambos os casos, o problema é conhecer como os elementos em uma sequência de DNA ou de palavras em uma lista devem ser usados. Um conjunto de genes é seletivamente expresso em cada célula. Os mecanismos que controlam a expressão dos genes operam em muitos níveis.

As instruções que controlam quando e onde um gene é expresso são escritos na sequência de bases de DNA localizadas na região de regulação do gene. Estas instruções são escritas em uma linguagem que é frequentemente chamada de "código de regulamentação do gene '. Este código é lido e interpretado por proteínas chamadas fatores de transcrição que se ligam a sequências específicas de DNA (ou "palavras de DNA") e aumentam ou diminuem a expressão do gene conforme a instrução. Mudanças na expressão genética entre as espécies poderia, portanto, ser devido a mudanças dos fatores de transcrição e/ou alterações das instruções dentro das regiões reguladoras de genes específicos.O estudo de genes reguladores é parte de um campo crescente chamado biologia evolutiva do desenvolvimento, ou evo-devo. 
Biólogos do desenvolvimento evolutivo argumentam que as mutações que afetam genes reguladores podem gerar alterações morfológicas em grande escala e corpos novos inteiros. 

Por exemplo, para o cérebro humano se desenvolver e funcionar corretamente, cada um dos seus 100 bilhões de neurônios deve seguir um código específico e pré-programado de expressão do gene. Este código é impulsionado por fatores de transcrição importantes que regulam a expressão de numerosas proteínas, moldando a identidade neurônios para criar a sua forma original e o comportamento eléctrico.


Para a célula poder expressar determinada sequencia de genes, são necessários  1. A sequência de bases de DNA localizada na região de regulação do gene, e 2. Os fatores de transcrição que leem o código. Se um dos dois estiver ausente, a comunicação falha, o gene que tem que ser expresso, não pode ser encontrado, e todo o processo da expressão genética falha. Este é um sistema interdependente, e irredutível. O código regulador do gene não poderia surgir de modo gradual, pois,   o código tem apenas o significado certo se a mensagem for a correta, que será devidamente reconhecida. Isso é um excelente  exemplo por que sistemas biológicos precisam de um projetista.  O fato que estas sequências de ligação de fatores de transcrição se sobrepõem as sequências de codificação de proteínas, sugerem que ambas as sequências foram concebidas em conjunto, a fim de optimizar a eficiência do código do DNA. À medida que aprendemos mais e mais sobre a estrutura e função do DNA, é evidente que o código não foi obtido por acaso, pelo método de tentativa e erro da seleção natural, mas que foi especificamente concebido para proporcionar eficiência e função ideal.

O código regulador do gene que determina quando sequências de DNA devem ser expressas  é altamente conservado em animais ( quer dizer, não mudou, ou não evoluiu). A linguagem utilizada para orientar o desenvolvimento de animais permaneceu muito semelhante, sem mudar. O que torna os animais diferentes são as diferenças das instruções que são escritas usando esta linguagem para as regiões reguladoras de seus genes.

Os cientistas descobriram que este  sistema regulador de expressão dos genes  exibe uma ' complexidade além da compreensão humana ". O bioquímico Michael Behe escreve:

Estamos descobrindo que os sistemas de controle que afetam quando, onde e como  uma proteína em particular é feita está se tornando tão complexo, e a sua distribuição no DNA de forma tão generalizada, que o próprio conceito de um "gene" como uma região discreta de DNA não é mais adequado. ... Em animais, um interruptor principal coloca em andamento toda uma cascata de interruptores menores, onde a proteína reguladora inicial se liga a genes de outras proteínas reguladoras, que se transformam em outras proteínas reguladoras, e assim por diante.

Muitos genes codificam fatores de transcrição que, por sua vez, induzem a expressão de outros fatores de transcrição, criando assim cascatas de expressão de genes em que uma via de sinalização de várias etapas resulta na amplificação do sinal inicial. Isto resulta num elevado grau de controle sobre a expressão do gene alvo ou composto, tudo a partir de um pequeno sinal inicial. Dentro da maioria das células diferenciadas, vários níveis de indução  produzem uma grande variedade de fatores de transcrição. Durante o desenvolvimento embrionário, o processo real de  diferenciação requer um sistema integrado de fatores de transcrição que transformam a expressão do gene ligado e desligado com precisão rigorosa e no momento certo.

Pergunta: Como poderia esta precisão rigorosa, sincronizada e orchestrada ter sido obtida? mediante tentativas aleatórias de erro e acerto ? 

Pode haver mais de dez proteínas reguladoras que controlam cada gene codificador de proteínas usadas na construção do corpo de um animal. Note-se que genes de controle  não incorporam as instruções para a construção de estruturas corporais particulares - eles simplesmente sinalizam outros genes para ligar ou desligar.

Muitos biólogos acharam isto surpreendente, porque a teoria evolutiva ortodoxa levou-os a assumir que os genes controlam o desenvolvimento de organismos e estruturas anatômicas e que genes homólogos devem, portanto, produzir estruturas homólogas e organismos. A esperança evo-devo era que os sistemas de regulação das células de alguma forma tornaria a evolução mais fácil. Na realidade, o oposto é o caso. Como Behe diz,

 'as instruções de controle de montagem elaborados para animais inteiros são uma camada adicional de complexidade, além da complexidade da anatomia do animal por si só'.   

Supostamente cegas, mutações aleatórias teriam que mudar ambos os genes estruturais e regulamentares  apenas nas maneiras corretas para produzir proteínas nos lugares certos nos momentos certos para construir um novo  órgão ou entidade. Mas experimentos mostraram que mutação dos genes que regulam a construção de corpo de plano tendem a destruir as formas. 

Genes não reguladores não determinam a forma de quaisquer estrutura do corpo. O que a determina  é desconhecido nos detalhes.

Sabe-se que informação epigenética é contida em outras estruturas celulares do que o DNA , e envolve, por exemplo, padrões no citoesqueleto (o andaime celular ou o esqueleto no citoplasma de uma célula) e na membrana da célula, mas estes padrões, também, são provavelmente, efeitos de causas mais fundamentais. Portanto, o darwinismo não consegue explicar a origem de tanto a informação genética e não genética necessária para produzir novas formas de vida, e não pode explicar o que realmente determina a forma física de um organismo.

Nenhum biólogo explorou a lógica reguladora do desenvolvimento de animais mais profundamente do que Eric Davidson, do Instituto de Tecnologia da Califórnia. No início de sua carreira, colaborando com o biólogo molecular Roy Britten, Davidson formulou uma teoria da "regulação de genes para as células mais elevadas." Por "células superiores" Davidson e Britten entendem  as células diferenciadas, ou especializadas, encontradas em qualquer animal após as primeiras fases do desenvolvimento embrionário. Davidson observou que as células de um animal individual  contêm geralmente genomas idênticos.

Durante o ciclo de vida de um organismo, os genomas destas células especializadas expressam apenas uma pequena fracção do seu DNA, em qualquer momento dado e produzem diferentes RNAs como resultado. Estes fatos sugerem fortemente que existe algum sistema  que abrange todo animal , que controla as funções genéticas para ligar genes específicos e desliga-los conforme necessário durante toda a vida do organismo, e que tal sistema funciona  durante o desenvolvimento de um animal, partindo do óvulo até ao adulto, selecionando quando e quais diferentes tipos de células devem ser construídas. Quando eles propuseram esta teoria em 1969, Britten e Davidson reconheceram que "pouco se sabe... dos mecanismos moleculares pelos quais a expressão do gene é controlada em células diferenciadas." No entanto, eles deduziram que um tal sistema deve existir,dado:

(1) que dezenas ou centenas de tipos de células especializadas surgem durante o desenvolvimento dos animais, e
(2) que cada célula contém o mesmo genoma, eles raciocinaram
(3) que algum sistema de controle tem de determinar quais  genes são expressos em células diferentes em tempos diferentes para assegurar a diferenciação de tipos de células diferentes umas das outras
uma lógica reguladora que rege todo o sistema -  deve supervisionar e coordenar a expressão do genoma.

Davidson tem dedicado sua carreira para descobrir e descrever os mecanismos destes sistemas de regulação de genes e de controle durante o desenvolvimento embrionário. Durante as duas últimas décadas, em pesquisas genômicas revelou que as regiões do genoma não proteico de controle de codificação e regular o momento da expressão das regiões de codificação de proteínas do genoma. Davidson demonstrou que as regiões de codificação  não proteicos de DNA que regulam a expressão do gene e de controle e as regiões de codificação de proteínas do genoma juntos funcionam como circuitos. Estes circuitos, que Davidson chama de "genes de desenvolvimento de redes regulatórias" (ou dGRNs) controlam o desenvolvimento embrionário dos animais.

Circuitos integrados: genes do desenvolvimento redes reguladoras

Considere,que as formas corpóreas de animais são resultado maior que apenas de informações genéticas. Eles também precisam de redes totalmente integradas de genes, proteínas e outras moléculas para regular o seu desenvolvimento, em outras palavras, eles exigem redes reguladoras de genes do desenvolvimento, os dGRNs. Animais em desenvolvimento enfrentam dois  principais desafios. Primeiro, devem produzir diferentes tipos de proteínas e células e, em segundo lugar, devem conduzir e " montar " essas proteínas e células no lugar certo, e no momento certo. Mostrou-se que embriões realizam essa tarefa, baseando-se em redes de proteínas de ligação de  reguladoras de DNA ( chamados fatores de transcrição) e suas metas físicas. Estes objetivos físicos são tipicamente secções de DNA (genes) que produzem outras proteínas ou moléculas de RNA, as quais por sua vez, regulam a expressão de outros genes.

Estas redes interdependentes de genes e produtos de genes apresentam uma aparência impressionante de terem sido projetas. As representações gráficas destes dGRNs parecem como diagramas de fiação em um projeto de engenharia elétrica ou um esquema de um circuito integrado. "O que surge, a partir da análise de dGRNs de animais," reflete ele, "é uma incrível surpresa: uma rede de interações lógicas programadas para a sequência de DNA que eleva, essencialmente, a um dispositivo computacional biológico ligado diretamente." Estas moléculas coletivamente formam uma rede totalmente integrada de moléculas de sinalização que funcionam como um circuito integrado. Circuitos integrados em eletrônica são sistemas de componentes individualmente funcionais, tais como transistores, resistores e capacitores que estão ligados entre si para desempenhar uma função primordial. Da mesma forma, os componentes funcionais de dGRNs-as proteínas de ligação de DNA, as suas sequências alvo no DNA, e as outras moléculas que as proteínas de ligação e moléculas alvo produzem e regulam-formam também um circuito integrado, que contribui para realizar a função global de produção uma forma animal adulta .

As limitações funcionais apertadas em que estes sistemas de moléculas (o dGRNs) operam impede a sua alteração gradual pelo mecanismo de mutação e seleção. Por esta razão, o neodarwinismo não consegue explicar a origem desses sistemas de moléculas e sua integração funcional. Nem os defensores da "evo-devo", nem os proponentes de outras teorias materialistas recentemente propostas de evolução, identificaram um mecanismo mutacional capaz de gerar um dGRN ou qualquer coisa mesmo remotamente semelhante a um circuito integrado complexo. No entanto, em nossa experiência,  circuitos integrados complexos e a integração funcional das partes em sistemas complexos, geralmente sabe-se que são produzidos por agentes  inteligentes, como engenheiros. Além disso, a inteligência é a única causa conhecida de tais efeitos. Dado que os animais em desenvolvimento empregam uma forma de circuito integrado, e certamente uma manifestação de um sistema firmemente e funcionalmente integrado de partes e subsistemas, e uma vez que a inteligência é a única causa conhecida destas características, a presença necessária desses recursos no desenvolvimento de animais  parece que indicam que a agência inteligente desempenhou um papel na sua criação.

Existe um desafio relacionado ao poder de mecanismos evolutivos de criar novas formas corpóreas. Biólogos do desenvolvimento descobriram que muitos produtos de genes (proteínas e RNA's) necessários para o desenvolvimento de formas físicas de animais  transmitem sinais que influenciam a forma como as células individuais se desenvolvem e se diferenciam. Além disso, esses sinais afetam a forma como as células se organizam e interagem umas com as outras durante o desenvolvimento embrionário. Estas moléculas de sinalização influenciam uns aos outros de modo a formar circuitos ou redes de interação coordenadas, bem como circuitos integrados semelhantes a uma placa de circuito impresso. Por exemplo,  quando uma molécula de sinalização é transmitida depende muitas vezes quando um sinal  de uma outra molécula é recebido, que por sua vez afeta a transmissão de outros ainda-todos os quais estão coordenados e integrados para realizar as funções críticas em momentos específicos. A coordenação e a integração dessas moléculas de sinalização em células assegura a diferenciação e organização adequada de tipos de células distintos durante o desenvolvimento do corpo de um animal. Consequentemente, tal como mutação de um gene regulador individual no início do desenvolvimento de um animal irá inevitavelmente desligar desenvolvimento, assim também mutações ou alterações em toda a rede de moléculas sinalizadoras que interagem destroem  um embrião em desenvolvimento.


A rede reguladora do gene desenvolvimental (DGRN) para a construção de um tecido chamado a endomesoderm em ouriços do mar, concentrando-se na rede depois de 21 horas. O diagrama se parece muito com um circuito elétrico ou computador-lógico complexo. (Http://sugp.caltech.edu/endomes)

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