O que são elementos genéticos móveis?

São denominados elementos genéticos móveis os segmentos de DNA que podem movimentar-se dentro dos genomas ou mesmo entre genomas diferentes. Esses elementos podem estar integrados aos cromossomos e ao longo do tempo mudar de localização dentro deles, ou ainda estar fisicamente dissociados e se replicarem de forma independente.

Por vezes, alguns podem ser incluídos na categoria de DNA “sem função”, por não codificarem proteínas e não se manifestarem fenotipicamente nos organismos que os possuem. Já outros, codificam enzimas que servirão para a sua mobilização e que poderão conferir características especiais aos organismos que os possuem. São exemplos os genes que conferem resistência aos antibióticos, codificam toxinas ou são responsáveis por algumas funções celulares, como a construção de telômeros.

São 3 os tipos de elementos genéticos móveis: plasmídeos, fagos e elementos transponíveis/transposons.

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Plasmídeos

Demonstração esquemática e microscopia de plasmídeo. Fonte: Seguridad Biológica. 

Os plasmídeos são elementos genéticos móveis encontrados em procariotos (bactérias e arqueas), mas que podem ser encontrados também em leveduras (eucarioto). São extra-cromossômicos com capacidade de replicação autônoma, mas ainda assim dependente das mesmas enzimas que replicam o genoma da célula hospedeira. Na maioria das vezes, são formados por DNA de fita dupla circular, mas como em quase tudo há exceções, podem ser formados por DNA de fita dupla linear em procariotos com cromossomos lineares.

O tamanho dos plasmídeos pode variar de 1 kb (com um ou poucos genes) a 1.000 kb (com muitos genes). Os genes presentes ali são os responsáveis pelas funções e fenótipos conferidos à célula, como por exemplo, os genes que codificam a resistência à antibióticos em bactérias. Abaixo está descrita a classificação funcional dos plasmídeos:

·   Plasmídeos de fertilidade ou plasmídeos conjugativos: são plasmídeos grandes, tendo em torno de 100 kb, e possuem genes de transferência tra, que tem como função promover a transferência do plasmídeo de uma célula doadora para uma receptora, através da síntese de fímbrias sexuais. Ex: plasmídeo F (de fertilidade) de Escherichia coli, molécula de DNA circular de 94,5 kb e que foi o primeiro elemento genético extracromossômico identificado nessa bactéria.

 

· Plasmídeos de resistência: possuem genes que codificam enzimas envolvidas no metabolismo de antimicrobianos e vão conferir resistência a eles. Ex: plasmídeo R100, que confere resistência a sulfonamidas, estreptomicina, ácido fusídico, cloranfenicol, tetraciclina e mercúrio em Escherichia e Klebsiella.

 

·  Plasmídeos produtores de bacteriocinas: possuem genes que codificam bacteriocinas como colicinas, e inibem a multiplicação ou matam bactérias de espécies relacionas ou de outras linhagens da mesma espécie. Ex: plasmídeos Col como o ColE1 de Escherichia coli.

 

·  Plasmídeos degradativos: possuem genes xenobióticos, que permitirão que substâncias estranhas à célula sejam degradadas. Ex: plasmídeo pCAR1 de Pseudomonas putida, que confere a capacidade de degradação do carbazol.

 

· Plasmídeos de virulência: possuem genes que codificam proteínas responsáveis pela adesão da bactéria à mucosa intestinal e invasão do epitélio, transformando-a em uma bactéria patogênica. Ex: plasmídeos codificadores de enterotoxinas de Escherichia coli.

 

A autorreplicação autônoma dos plasmídeos ocorre a partir de uma origem de replicação ori, que é constituída por sequências específicas e reconhecidas por proteínas da replicação do DNA. A ori determinada o número de cópias e regula a replicação de um plasmídeo dentro da célula, para que a célula não fique saturada por um número excessivo de cópias ou que não seja perdido ao longo de uma linhagem celular. Em Streptomyces coelicolor, o plasmídeo pIJ101 replica muitas vezes por ciclo celular, gerando muitas cópias por célula, e por isso, é denominado plasmídeo multicópias. Em contrapartida, o plasmídeo F de E. coli replica apenas uma (plasmídeo de cópia única) ou poucas vezes (plasmídeo de baixo número de cópias) por ciclo, o que faz com que as células-filhas recebam apenas uma ou poucas cópias a cada divisão.

Durante a divisão celular, há também um sistema que regula a sua segregação. Esse sistema é chamado de sistema de partição, constituído por sequências nucleotídicas específicas presentes no plasmídeo, que são chamadas de sítos par e que vão interagir com a membrana celular bacteriana. Assim, à medida que a célula cresce, ocorre a distribuição das cópias dos plasmídeos em números aproximadamente iguais nas duas células-filha geradas. Sem esse sistema, a segregação das cópias de um plasmídeo ocorre ao acaso, e isso pode ocasionar a eliminação de uma linhagem celular.

Não podemos falar de plasmídeos sem falar sobre os fenômenos de mobilidade plasmidial em bactérias: conjugação e transformação bacteriana.

· Conjugação bacteriana: é quando o material genético é transferido para outra célula através do contato direto. Este fenômeno ocorre através da formação de fímbrias ou pilus sexuais, que são longos apêndices formados na superfície da célula bacteriana. Aqui, ocorre a transferência do plasmídeo conjugativo (já citado acima no texto).

· Transformação bacteriana: é quando pequenos segmentos de DNA extracelular são captados por uma bactéria viva, podendo provocar alteração genética na célula receptora, não sendo necessário uma bactéria doadora. Neste caso, a passagem de moléculas de DNA ao interior da célula se dá por processo ativo, com gasto de energia e com envolvimento de moléculas específicas para este transporte.

 

Bacteriófagos

 

Microscopia eletrônica de bacteriófago. Fonte: Wikipedia.

 

Os bacteriófagos (ou simplesmente fagos) são vírus que infectam apenas bactérias, utilizando todo o seu maquinário metabólico para a replicação viral. Alguns possuem genoma de RNA, como o bacteriófago R17, ao passo que outros têm genoma de DNA de fita simples ou de DNA linear de fita dupla, e o tamanho do genoma também pode variar muito.

Ao contrário dos plasmídeos que são considerados replicons não letais (pelo menos paras as células hospedeiras), os fagos são replicons potencialmente letais. A propagação dos fagos se dá em uma estrutura composta por um capsídeo proteico que envolve o genoma viral. Alguns capsídeos são muito simples, formados por poucas proteínas, enquanto outros, como capsídeo do bacteriófago T4, são bem complexos (como o capsídeo do bacteriófago que possui 24 proteínas diferentes).

 

Organização do capsídeo do bacteriófago T4. A cabeça icosaédrica, o colar, a cauda e as fibras são formadas por várias proteínas diferentes. Fonte: Zaha, A. et al. 2014.Biologia Molecular Básica, 5ª ed.

Quanto ao ciclo de vida dos fagos, podem ser de dois tipos:

· Virulento: se multiplicam dentro da célula hospedeira e originam vários fagos que são liberados após a lise celular.

· Temperado: que podem integrar-se ao genoma bacteriano, formando uma linhagem lisogênica, ou entrar em um ciclo lítico com os fagos virulentos.

Na infecção de uma bactéria por um fago ocorrem 3 etapas principais: a colisão, a adsorção e a injeção do ácido nucleico. Depois que o genoma viral entra no hospedeiro, o fago pode entrar em um ciclo lítico ou lisogênico, a depender se for virulento ou temperado.

No ciclo lítico, os fagos aderem-se à célula hospedeira, injetam o seu genoma, replicam-se e provocam a lise celular (ruptura da membrana da célula), liberando as partículas virais completas (também chamadas de virions) que poderão infectar novas células hospedeiras suscetíveis. No ciclo lisogênico, os fagos temperados podem infectar uma bactéria e integrar o seu genoma no cromossomo da célula hospedeira sem causar a sua morte. Se mantido dessa forma, integrado ao material genético da bactéria, denominamos profago. Trata-se de um processo reversível que depende da produção de uma proteína repressora que mantém o circuito lisogênico; na ausência dessa proteína, o genoma do fago é liberado (o profago se desfaz) e entra no ciclo lítico.

 

Esquema de ciclo lítico e lisogênico em bacteriófago. Fonte: Lopes e Fanly. Adaptado de Cepa Microbiology: An introduction media update

Os fagos podem atuar na transferência de material genético (pequenos seguimentos de DNA cromossômico) bacteriano de uma célula para outra. Esse processo é chamado de transdução, e pode ser de dois tipos:

· Transdução generalizada: ela acontece porque durante a multiplicação do fago, pode ocorrer de uma pequena quantidade de DNA do cromossomo bacteriano ser empacotada no lugar do genoma viral. Assim, o capsídeo do fago vai atuar como vetor na transferência do seguimento de DNA cromossômico. Por isso, envolve a mobilização de qualquer região do cromossomo, visto que esse erro no empacotamento ocorre ao acaso.

 

· Transdução especializada: envolve fagos que se integram em sítios-específicos do genoma bacteriano, em um processo reversível.

 

transposons

 

Os transposons (ou elementos de transposição) são segmentos de DNA que, como o próprio nome já indica, possuem capacidade de se mover de um ponto a outro de um cromossomo, mudar de cromossomo e às vezes, mover-se de um genoma de uma espécie para o de outra. Eles estão presentes em quase todos os genomas, tanto procariotos quanto eucariotos, sendo que nesse último, grande parte do genoma é constituída por transposons. Um grande exemplo é o genoma humano, o qual 45% é formado por elementos transponíveis. Essa porcentagem é ainda maior quando falamos de algumas plantas e anfíbios.

São raros os genomas de eucariotos que não possuem transposons, mas podemos citar os genomas de espécies do gênero Plasmodium, Babesia e Cryptosporidium, visto que são organismos unicelulares, geralmente patógenos e com genomas reduzidos. Em procariotos, podemos citar bactérias intracelulares, também com genomas reduzidos, como Mycoplasma (com exceção de cerca de 13% das espécies desse gênero que podem ter transposons), Buchnera e Blochmannia.

Os elementos que se transpõem através um intermediário de RNA são chamados de retrotransposons. A cópia do DNA é feita a partir de um transcrito de RNA, utilizando a enzima transcriptase reversa. O mecanismo de transposição desses elementos e alguns elementos de DNA são de “cópia e colagem”, denominado transposição replicativa. Em contrapartida, os transposons utilizam um mecanismo chamado “corte e colagem”, que é uma transposição não replicativa.

Há consequências biológicas relacionadas à transposição. Uma das principais é a indução de mutações germinativas ou somáticas, pela inserção de um elemento genético transponível em uma região codificadora ou reguladora do gene, afetando a expressão dele, de modo a inibir sua expressão, tornar a proteína não funcional, ou ainda formar um novo padrão de expressão. Por isso, os transposons estão muito associados ao surgimento de doenças genéticas e câncer, mas ainda assim são muito importantes para a variabilidade genética.

 

Referências bibliográficas:

Zaha, A. et al. Biologia Molecular Básica. 5ª ed. Porto Alegre : ARTMED, 2014.

 

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