Micromundo: Internet Genética Bacteriana e Tratamentos

Duas Guerras

Os patógenos, para se replicarem necessitam não só demanipular a sinalização celular e subverter o sistema imunológico mas ainda têm pela frente outra barreira: as bactérias que vivem no próprio organismo. 1 grama de intestino grosso contém cerca de 60 mil milhões de bactérias.

Uma das formas que as bactérias patogénicas usam para eliminar a concorrência bacteriana e causar diarreia. A exemplo desta estratégia, Citrobacter rodentium – variante de E. coli que ataca ratos – inflama o intestino e um influxo de células imunes que eliminam um importante subtipo de flora intestinal desses animais.  Assim, podem multimplicar-se mais rapidamente.

Uma outra estratégia pertence à Salmonella, variante que ataca ratos. Esta bactéria imita o comportamento da flora intestinal do animal.

Intenet Genética

As interacções entre os microrganismos oferece uma oportunidade de aquisição e troca de ferramentas. O intestino funciona como uma internet microbiana, com uma grande interacção microbiana e, desta forma, grande troca de informação genética.

Como há um grande índice geracional nestes microrganismos, e como a partir de poucos são produzidos muitos numa única célula, a taxa de mutação é muito grande. Como tal a aquisição de mutações ou a troca, com outros microrganismos que se encontram na mesma célula, de material genético conferem competição diferencial positiva. É certo que muitos, devido às mutações, deixam de ser patogénicos mas os que continuam a ser patogénicos podem ter adquirido ferramentas poderosas.

A aquisição de novas ilhas de patogenicidade confere uma vantagem ao microrganismo, ao permitir a colonização de outro hospedeiro ou permitindo uma maior agressividade no mesmo hospedeiro. Pensa-se que a E.coliO157 surgiu no fim dos anos 70 ao adquirir uma ilha de patogenicidade que codifica uma nova T3SS que permite a produção da toxina Shiga. Esta toxina produz diarreia e doenças renais.

Tratamentos

Os sistemas de injecção do material genético das bactérias para o interior das células dá ideias para terapias. Uma nova vacina contra a E.coliO157 basia-se no conhecimento do sistema de secreção da bactéria. A vacina contém pedaços do T3SS e de alguns efectores para que o sistema imunitário possa reconhecer essas proteínas antes da possível infecção. Este tratamento destina-se a gado.

Outra estratégia de tratamento é o foco dos factores de virulência. Ao desligar os genes que expressam esses factores a bactéria torna-se inofensiva. A criação de moléculas bloqueadoras da adesão bactéria/célula também tem sido foco de atenção.

 

Fonte: Scientific American,  "A Arte da Guerra Bacteriana", Brett Finlay, Março 2010

Read more

Micromundo: Evolução e Aquisição de Estratégias

A similaridade entre células imunitárias e os hospedeiros bacterianos externos sugere uma explicação para novas tácticas de sobrevivêcia bacteriana.

Legionella - O comportamento da Legionella pode mostrar a origem dos sistemas de secreção bacterianos, que evoluíram não para transmitir doenças mas para protege-las dos ataques do sistema imunitário dos hospedeiros. O T4SS é normalmente usado quando fagocitada por amebas do solo, idênticos aos fagócitos humanos.

Yersinia pestis – Quando os fagócitos tentam eliminar a bactéria, a T3SS bacteriana injecta, pelo menos, quatro efectores que param a maquinaria da célula imune antes da destruição da bactéria. Esses fagócitos com bactérias presas à sua superfície entram nos nódulos linfáticos, onde se multiplicam e causam inchaços ou bubos – é a peste bubónica.

Os patógenos afinam os seus sistemas de secreção para reprogramarem a sinalização celular.

Shigella dysenteriae – causa disenteria. Possui T3SS que injecta cerca de 30 efectores. É arrastada para o interior da célula pela ondulação membranar e utiliza a maquinaria do citoesqueleto para viajar no interior celular e, assim, invadir uma célula vizinha. Desta forma consegue evitar as células imunitárias.

Alguns dos sinais emitidos atraem células endríticas para o local da infecção. A bactéria penetra nas células dendríticas e são levados através do interstino. O rompimento da parede intestinal provoca diarreia.

Outras bactérias evitam a resposta imunitária adquirida pelos linfócitos-T e células-B através da alteração constante das proteinas superficiais de membrana (Shigella)

A Salmonella inicia uma sinalização interna em cascata que induz a apoptose dos fagócitos antes de estes interagir com as células do sistema imunitário adquirido.

Fonte: Scientific American,  "A Arte da Guerra Bacteriana", Brett Finlay, Março 2010

Read more

O Novo Poder das Vacinas I - O Ressurgir

Há mais de 200 anos que as vacinas mostram serem o método mais económico e mais bem-sucedido de prevenção de doenças infeccionas. Foram elas que, em 1979, erradicaram a varíola e prometem a eliminação da poliomielite, sarampo e malária.

Desde o século X, na China e na índia, até ao século XVIII, na Turquia e Médio Oriente existia a variolização, que consistia na inoculação, braço a braço, a partir do fluido vesicular das lesões. Esta foi a primeira vacina, com muito pouca higiene e com muito perigo e, claro, elevada mortalidade. Em 1774 começou a ser utilizado o vírus da varíola bovina na profilaxia da varíola humana e em 1796 aconteceu a sistematização do método de vacinação, com “vacina viva”(atenuada) deste vírus. Dois anos depois foram publicados os primeiros resultados, por Edward Jenner.

Hoje parece haver uma grande oposição à prática da vacinação, mas isto não é actual. Já no século XIX, em 1802 James Gillray escreveu “The Cow Pack or the Wonderful Effects of the New Inoculation” no “The Publications of the Anti-Vaccine Society”.

Contudo, a ciência avançou e criou a vacina anti-rábica, em 1882, por Louis Pasteur. Em 1956 a OMS lança o “Programa de Erradicação da Varíola”, que se verificou vinte e três anos mais tarde.

Uma vacina não é mais do que uma infecção controlada. É introduzida uma amostra do agente infeccioso para que o sistema imunitário o reconheça e obtenha “dados” para o poder atacar aquando da próxima infecção natural. Os mais idosos têm o seu sistema imunológico fraco e pode não responder de forma eficiente ao tratamento.

São necessários estimuladores do sistema imunológico, chamados adjuvantes. Alguns adjuvantes são usados, há mais de um século, para melhorar as vacinas.

Uma contaminação natural confere imunidade para uma futura investida do agente infeccioso. Uma vacina ideal consistiria numa única dose e, se possível, conferir protecção para outros agentes. Ideal é também promover a acção dos mais variados agentes celulares do sistema imunológico.

O patógeno entra no organismo e encontra as células do sistema imunitário inato, macrófagos e células dendríticas. Estas duas células destroem agentes patogénicos e as células infectadas). Ao digerir as células infectadas e os agentes patogénicos exibem as amostras do invasor – os antigénio. Assim as células do sistema imunitário adaptativo, os linfócitos T e B. As células apresentadoras de antigénios libertam citocinas (substâncias sinalizadoras) que induzem a inflamação e alertam os linfócitos B e T.

Os linfócitos B libertam anticorpos e os infócitos T cititóxicas capturam e destroem as células já infectadas. As vacinas introduzem patógenos por forma a replicar o efeito imunológico.

As “vacinas vivas”atenuadas reproduzem-se lentamente mas apresentam antinénios e, assim, podem estimular uma resposta imunológica robusta. Contudo não devem ser administradas a indivíduos com problemas imunológicos. Um perigo destas vacinas é o facto de os vírus destas vacinas serem atenuados por mutações pontuais na zona de acoplamento do ribossoma. Com estas mutações o ribossoma não reconhece a cadeia, não acopla e não sintetiza as proteínas de reprodução viral. Mas, como a mutação é efectuada numa pequena extensão do DNA/RNA, pode ocorrer uma reversão da mutação e tornar o vírus novamente virulento.

As vacinas mais eficazes são as de subunidades, que contêm pedaços de vírus para que sejam reconhecidos sem a capacidade de haver uma replicação.

As células dendríticas, com antigénios migram para os gânglios linfáticos, onde sinalizam e provocam a resposta dos linfócitos B e T. Sem os indicadores de perigo estas células não conseguem amadurecer nem migrar. Então, as vacinas de subunidades necessitam de adjuvantes para ampliar o fluxo de citocinas, moléculas sinalizadoras, para que haja uma resposta mais eficiente.

O adjuvante alume (sais de alumínio) é dos mais antigos. Desde os anos 30 que é utilizado com eficácia. Mas é insuficiente em vacinas contra infecções que requerem mais do que protecção por anticorpos. Então, uma vacina necessita, também, de estimular não só as células dendítricas mas também os linfócitos T. Por este motivo há uma grande investigação na produção de adjuvantes mais eficientes.

Fontes:

Nathalie Garçon e Michel Goldman, "O Novo Poder das Vacinas" Scientific American, Novembro 2009

Read more

A Origem da Vida na Terra IV - A Formação da Vida

Para reproduzir, uma protocélula tem de crescer, duplicar o seu conteúdo genético e, por fim, dividir-se. As experiências mostram que as vesículas primitivas podem crescer de duas formas:

1- Prie Luigi Luisi, na década de 90 adicionou ácidos gordos à água ao redor dessas vesículas. As membranas incorporaram os ácidos gordos (como já se tinha predito atrás) e aumentaram a área de superfície. Ou seja, o volume aumentou.

2- Irene Chen, mostrou que as protocélulas cheias de RNA incharam. “As membranas inchadas foram submetidas à tensão que provocou crescimento. (…) as vesículas inchadas cresceram ao sequestrar ácidos gordos das vesículas relaxadas vizinhas, que encolheram”

Em 2008 Ting Zhu observou o crescimento de protocélulas após alimentá-las com ácidos gordos. Surpreendentemente as vesículas produziram filamentos, que foram crescendo e que transformaram toda a vesícula num tubo fino e instável a movimentações. Facilmente se quebrava em muitas protocélulas filhas que cresciam e repetiam todo o ciclo.

As protocélulas teriam ainda de evoluir, de separar as cadeias de RNA para que cada uma servisse de molde à polimerização de outra nova cadeia.

Tal evento poderia ter ocorrido em zonas vulcânicas, com a ajuda de correntes de convecção. “As protocélulas (…) ficariam expostas a ondas súbitas de calor ao passar perto das rochas quentes (…) [que] faria com que uma hélice dupla se separasse em cadeias simples”. Nas regiões frias a dupla hélice retomava a sua estrutura original.

Em algum tempo surgiam mutações, tornando-se ribozimas que aumentariam a velocidade de replicação do RNA (como descrito acima), originando uma vantagem adaptativa. Posteriormente as ribozimas começariam a copiar o RNA sem ajuda externa.

Fonte:

A. Ricardo e J.W. Szostak, "Origem da Vida na Terra",  Scientific American, Outubro 2009

Read more

A Origem da Vida na Terra III - Estabilidade e Replicação

O último passo é a polimerização, a junção de vários nucleótidos de forma a formar uma cadeia de RNA. Os investigadores conseguiram, com a adição de substâncias químicas formar espontaneamente cadeias de 2 a 40 nucleótidos de RNA. Jim Ferris nos anos 90 demonstrou que os argilominerais aumentam o rendimento para 50 nucleótidos.

Outro desafio é a replicação. Esta característica é essencial para um organismo e são a enzimas a realizar esse processo. Contudo, como já foi referido, o RNA pode realizar essa tarefa. David Bartel fez ribozimas “evoluírem”.

“A cada rodada de replicação, algumas das novas linhagens de RNA sofriam mutações que as transformavam em catalisadores mais eficientes, e mais uma vez nós as seleccionamos para a próxima rodada de replicação. (…) fomos capazes de produzir ribozimas que podem catalisar a cópia de fitas relativamente pequenas de DNA”(Alonso Ricardo e Jack W. Szostak).

Tracey Lincoln e Gerald Joyce construíram duas ribozimas de RNA evoluírem. Conseguiram com que fizessem cópias delas próprias. Contudo necessitaram de juntar sequências pré-existentes de RNA para que a reacção tivesse sucesso. O processo catalítico, de construir uma cadeia de RNA ou DNA a partir de um molde fornecido é demorado. Mas ao trocar o par oxigénio-hidrogénio por um grupo amina no açúcar (equivalente a uma mutação) torna a polimerização muito mais rápida.

Como é que os componentes celulares arcaicos se juntaram no interior de uma membrana para formar as protocélulas? Uma célula tem estruturas proteicas que reparam a membrana e fornecem à célula uma concentração osmótica suficiente para viver. Então, como é que uma protocélula, sem a maquinaria proteica o pode fazer?

Estudos da década de 70 mostram como é que as membranas se juntavam de forma espontânea a partir de ácidos gordos, mas eram uma barreira para a entrada de nucleótidos. Mas, mesmo com esta barreira, os nucleótidos e outras moléculas podem “escorregar” através da membrana. Isto em membranas simples.

Uma simples experiência comprova-o: “preparámos vesículas feitas com ácidos gordos contendo um pequeno pedaço de uma cadeia simples de DNA (…) [para servir de] molde (…) [e] expusemos essas vesículas a versões quimicamente reactivas desses nucleótidos. Os nucleótidos cruzaram a membrana de forma espontânea (…), se alinharam com a cadeia de DNA e reagiram um com o outro para gerar uma fita complementar”

Fonte:

A. Ricardo e J.W. Szostak, "Origem da Vida na Terra",  Scientific American, Outubro 2009

 

Read more

A Origem da Vida na Terra II - Espontaneidade

O RNA e DNA são compostos por bases azotadas, um açúcar e um grupo fosfato. As bases azotadas podem surgir de espontaneamente a partir de cianeto, acetileno e água. Os açúcares também se formam facilmente a partir de uma solução alcalina de formaldeído aquecida. Estes compostos estavam todos presentes na terra primitiva. Contudo há um problema: a ribose é instável em soluções alcalinas. Como é que se estabilizou? Alonso Ricardo demonstrou formas de estabilização da ribose.

O fosfato, o terceiro componente é um problema. “Está presente em minerais que não se dissolvem facilmente na água. As altas temperaturas (…) podem converter os minerais (…) em formas solúveis de fosfato, mas as quantidades [de fosfato] são pequenas” Um mineral diferente destes é a schreibersita, encontrado em meteoritos.

Matthew Pasek e Dante Lauretta descobriram que a corrosão deste mineral “liberta fósforo de uma forma mais solúvel na água do que o fosfato e é mais reactiva com compostos orgânicos”

Embora possam ser formados de forma espontânea na água ainda não foi explicado como podem, estes três componentes (Fosfato, açúcar e base azotada), formar nucleótidos (unidades de RNA) espontaneamente. O nucleótidos precisam de energia para se organizarem.

John Sutherland sugeriu como ocorreu a formação dos nucleótidos de forma estável. A equipa juntou as bases azotadas e a ribose com o fosfato. Ou seja, em vez de o fosfato entrar mais tarde, ele foi misturado na reacção ao mesmo tempo. Desta forma o fosfato agiu como catalisador e produziu 2-amino-oxazol – fragmento de açúcar com outro de base azotada.

Esta molécula resultante é estável e volátil e é provável que se tenha formado nessas reacções. Terá evaporado com a água e condensou noutro local, onde se terá acumulado. Numa determinada concentração e com os componentes necessários ocorre a formação das bases azotadas e do açúcar ligados.

Nem sempre a junção destes componentes é correcta, mas a exposição à radiação UV destrói os nucleótidos “incorrectos”.

Fonte:

A. Ricardo e J.W. Szostak, "Origem da Vida na Terra",  Scientific American, Outubro 2009

Read more

Mutações Silenciosas

Até agora as mutações silenciosas eram aquelas a que não correspondia qualquer alteração fenotípica, pois não haveria alteração das proteínas formadas.

As mutações pontuais, trocas de uma única letra, podem levar a alterações de aminoácidos e das proteínas constituídas por eles. O aminoácido pode ser errado e a proteína deixa de ter função ou tem a sua função debilitada. Ou pior, em determinadas trocas de letras pode surgir o sinal de STOP de tradução e a proteína não fica concluída. Outro tipo de mutação é a mutação silenciosa, a troca é feita mas o seu significado é semelhante no codão final (conjuntos de 3 letras que leva à formação de um aminoácido).

Três mutações pontuais modificam moléculas de hemoglobina e são responsáveis por três doenças graves:

Anemia falciforme – Substituição de um aminoácido hidrofílico por um hidrofóbico

Policitemia – Mutação sem sentido (tradução incompleta da proteína) interrompe uma das proteínas da hemoglobina. Esta mutação resulta no espessamento do sangue.

Talassemia – Mutação com sentido (tradução alongada da protína pela retirada do sinal STOP) troca o codão TAA (sinal STOP) pelo CAA. A proteína torna-se disfuncional.

Estratégia

A bactéria Escherichia coli traduz o aminoácido asparagina. O codão AAC aparece com mais frequência no seu DNA do que o codão AAT. Ambos os codões codificam para a asparagina. Contudo observa-se um aumento das taxas de síntese proteica com o AAC. A razão é que os tRNA (estruturas que se inserem no ribossoma e constroem os aminoácidos aquando da entrada do RNA) destes codões aparecem em concentrações diferentes. O tRNA do AAT é mais abundante do que o tRNA do AAC, desta forma há maior probabilidade de se traduzir o aminoácido do AAT. “Análises de genes de mamíferos [plantas, moscas e vermes também apresentam desvios similares] revelam tendências que favorecem determinados codões.”

Sair do Silêncio

Após a transcrição de DNA para RNA são retiradas regiões não codificadas, os intrões. Os exões são deixados, são as regiões codificadas. O RNA contendo apenas os exões é o mRNA. As coisas complicam-se quando se descobre que os exões não têm a função única de codificar para aminoácidos mas também ajudam na remoção dos intrões. Num RNA inicial os intrões e os exões estão alternados. Para que um intrão seja removido terá de haver um sinal que faça a maquinaria remover o intrão. Na junções intrão/exão existem 3 a 8 letras (estimuladores de intrões exónicos – ESSE) que podem ter um sinal de quebra da ligação ou de não quebra, mantendo-os unidos. Estes estimuladores podem fazer com que o organismo opte por certos nucleótidos. Os codões GGA e GGG codificam o aminoácido glicina, mas também se encontram em estimuladores de junções.

Alterações silenciosas nesses estimuladores de junções podem não alterar um aminoácido mas podem interromper a remoção dos intrões, o que poderá ter um efeito nefasto para uma proteína. A fibrose cística é uma doença causada por uma mutação silenciosa que intervém, também, na remoção dos intrões.

Outro mecanismo pelo qual a mutação silenciosa pode ser prejudicial é na dobra do mRNA. Mesmo que o intrão seja removido correctamente, o mRNA pode não dobrar devidamente, apenas pelo facto de uma letra ser diferente. O modo como se dobra determina a estabilidade do mRNA e isso afecta a velocidade de tradução. Alguns distúrbios cognitivos têm este mecanismo associado.

Eficiência

Grzegorz Kudla e colegas alteraram a percentagem relativa de G e C, o que levou a uma produção proteica cem vezes superior comparativamente com os mesmo genes pobres em G e C.

O gene COMT associado à tolerância à dor apresenta uma mutação que resulta numa alteração de um aminoácido. Contudo não há uma única variante deste gene. Não é do tipo on  e off. Pessoas com intolerência à dor alta ou baixa apresentavam os mesmos nucleótidos, o que indicava haver outra causa para as variações. Os últimos resultados apontam para as mutações silenciosas.

J.V. Chamary e Laurence D. Hurst estimam que “entre 5% e 10% dos genes humanos contêm pelo menos uma região onde as mutações silenciosas poderiam ser prejudiciais.”

Fonte: Scientific American “O Custo das mutações Silenciosas”, J.V. Chamary e Laurence D. Hurst , Julho 2009

Read more