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A6. Polianions como portadores de informação genética - Biologia

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Existem outras razões pelas quais os polianions são moléculas genéticas úteis, além de sua resistência ao ataque nucleofílico. Talvez mais importante, a interferência estérica evita que a ribose no RNA adote a conformação 2'endo e permite apenas a forma 3'endo, impedindo a ocorrência de hélices ds-B-RNA estendidas.

Contribuidores

  • Prof. Henry Jakubowski (College of St. Benedict / St. John's University)

Genética Bacteriana

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik, em Molecular Biology (segunda edição), 2013

Transformação, absorção de DNA nu

A transferência de genes pela absorção de DNA desprotegido ou “nu” é conhecida como transformação.

O DNA nu refere-se ao DNA que não está associado a proteínas, lipídios ou qualquer outra molécula para ajudar a protegê-lo. O DNA nu é o resultado da liberação de informações genéticas no ambiente circundante, como a explosão de células. O DNA que chega às vezes é incorporado ao genoma bacteriano após a absorção. A transformação é principalmente um procedimento de laboratório, embora algumas células sejam naturalmente “competentes” para captar DNA nu. As células podem se tornar competentes pelo tratamento com vários produtos químicos.

A transferência de caracteres herdados por transformação era parte da prova original de que o DNA (não a proteína) é o material genético.

Oswald Avery e colegas forneceram evidências de DNA como material genético de experimentos de transformação usando Streptococcus pneumoniae em 1944. Duas cepas de S. pneumoniae estão presentes, um é virulento e o outro não é virulento. Avery adicionou DNA extraído da cepa virulenta a culturas de S. pneumoniae. O avirulento S. pneumoniae pegou parte do DNA por transformação e, como resultado, foi capaz de matar um camundongo. Esse experimento ajudou a convencer muitos de que o DNA era a informação genética.

A transformação ocorre em certas bactérias em condições naturais.

As bactérias Gram-positivas podem desenvolver competência natural em culturas muito densas. Essa competência se deve à ação dos feromônios, que são peptídeos curtos que atuam como sinais químicos e viajam entre os organismos. Uma vez que os feromônios de competência só são induzidos quando as culturas são muito densas, isso provavelmente garante que a bactéria apenas absorva DNA nu de espécies estreitamente relacionadas.


Nanomedicina para terapia combinacional de drogas anticâncer: avanços recentes, desafios e perspectivas futuras

Mahfoozur Rahman,. Farhan Jalees Ahmad, em Nanoformulation Strategies for Cancer Treatment, 2021

1.4 Conclusões e perspectivas futuras

Os ácidos nucleicos fornecem uma opção atraente na terapia anticâncer. Vários desafios são discutidos neste capítulo, incluindo aqueles que dificultam a eficácia terapêutica e a tradução clínica. Uma abordagem multidisciplinar foi utilizada para construir o NA e os nanocarreadores carregados de drogas anticâncer combinacionais para a terapêutica direcionada ao câncer. Os portadores não virais têm sido empregados para fornecer NA e drogas anticâncer sintéticas, alterando suas propriedades físico-químicas. A nanomedicina desenvolvida encontrou características aprimoradas para superar as barreiras individuais. Este capítulo resume o avanço na distribuição de drogas de NA isoladamente ou em combinação com outras drogas quimioterápicas em termos de nanocarreadores de NA responsivos e não virais para superar certas barreiras. Esses nanocarreadores mostraram excelentes estímulos endógenos ou externos responsivamente e entrega eficaz no microambiente tumoral e mostraram inibição significativa do crescimento do tumor. Algumas questões-chave no desenvolvimento de nanocarreadores carregados com drogas antineoplásicas sintéticas / NA estão em tradução clínica e precisam ser abordadas com urgência.


Manual de Genética Psiquiátrica

Comentando sobre a construção social do cérebro para o American Journal of Psychiatry, Leo Eisenberg deu as boas-vindas ao retorno do cérebro à psiquiatria, exclamando: “O cérebro está de volta à moda e um desenvolvimento bem-vindo!” 1 As reflexões sobre o cérebro nunca deixaram realmente a psiquiatria. Em vez disso, foram engavetados com experimentos mentais, da mesma forma que Freud havia engavetado seu grande manuscrito do “Projeto para uma psicologia científica”, tão inseguro estava de seus postulados. Com a neurociência contemporânea, é claro, tudo isso mudou. De moléculas a imagens do cérebro e à mente, examinamos o cérebro com múltiplas lentes, das quais a genética é apenas uma. Que os genes contribuem para a expressão de transtornos psiquiátricos é indiscutível. Apesar de muitos contratempos, o vigor renovado da investigação genética é seminal, pois coloca uma questão crucial para o campo: quanto de “quem somos” é “o que somos”? A enxurrada de atividades em genética psiquiátrica trouxe essa disciplina a um ponto em que um olhar retrospectivo seria bem-vindo. Os médicos na prática, os residentes em treinamento e os alunos de pós-graduação que estão iniciando suas pesquisas poderiam usar um livro habilmente montado para examinar o campo. o Manual é uma tentativa judiciosa, mas prejudicada em certos capítulos por um tom de proselitismo mais adequado para um panfleto. Drs. Blum e Noble, ambos investigadores ilustres na área, propuseram que o alelo TAQ1 do receptor DRD2 seja um marcador de susceptibilidade principal para o alcoolismo. Eles também propuseram a existência de uma “síndrome de deficiência de recompensa” em portadores do alelo TAQ1. Essas hipóteses são discutidas com zelo em muitos capítulos do livro.

O livro é organizado em seis seções, discutindo 1) Abordagens analíticas, 2) Análise de DNA, 3) Biologia molecular de receptores e proteínas associadas, 4) Genética psiquiátrica, 5) Transtornos por uso de substâncias e 6) Impacto genético no comportamento. A utilidade desses capítulos dependerá de quem realmente lê este manual entre os leitores designados. Os médicos que desejam compreender melhor a importância dos muitos tipos de receptores que permeiam a literatura da psicofarmacologia acharão a seção III mais útil. Ele oferece uma visão geral muito boa dos diferentes sistemas de transmissão, particularmente dos sistemas de dopamina e serotonina. Estudantes de pós-graduação que se dedicam à genética psiquiátrica também acharão a seção 3 útil, talvez junto com os capítulos mais técnicos nas seções 1, 2 e 6. Os próprios geneticistas podem achar este amplo esboço do campo útil, embora seu valor para eles seja limitado .

Como a maioria dos manuais de ciências, este tem algumas desvantagens características. Os investigadores não encontrarão relatórios recentes importantes discutidos, como o que diz respeito ao clone 22 no cromossomo 18p11.2 no transtorno bipolar. 2 Isso é desculpável, é claro, refletindo apenas os atrasos inerentes à publicação. O tom de proselitismo mencionado anteriormente é menos. Quase 130 páginas, ou um terço deste livro de 481 páginas, é dedicado ao campo principal de investigação do editor: estudos de associação relativos ao alelo TAQ1 do receptor D2. Muito esforço estatístico e dialético é despendido para responder aos críticos dessa hipótese. Não há nada inerentemente errado com isso. Nos círculos científicos, os manuais às vezes servem a propósitos de responder às críticas, apresentar dados de apoio que podem não ter sido incluídos em artigos publicados e permitir que os investigadores expressem suas opiniões sem a censura prévia da caneta do editor. Neste caso, infelizmente, a mesma evidência sobre o alelo TAQ1 é repetida em tantos capítulos que é difícil evitar a impressão de que os editores não poderiam se editar.

No entanto, a publicação deste manual enfatiza a importância atual da genética para a psiquiatria. Assim, uma discussão cuidadosa da metodologia usada é oportuna e pertinente - e em nenhum tópico é mais do que estudos de associação. Dados de estudos de associação abundam neste manual, bem como em periódicos atuais. Esses estudos são preferidos pelos pesquisadores pela facilidade com que podem ser realizados e por sua sensibilidade a pequenos efeitos genéticos. No entanto, os numerosos relatórios contraditórios que produziram colocaram em causa a sua utilidade genuína. Editoriais recentes em Psiquiatria Molecular 3 chegaram a um consenso de que, além de suas limitações, os estudos de associação continuam sendo uma ferramenta importante da genética psiquiátrica. Apesar de suas muitas armadilhas, pequenos estudos de associação provavelmente continuarão a desempenhar um papel na medida em que seus fenótipos são estritamente definidos e podem fornecer dados para uma meta-análise maior. Para tornar esses estudos mais comparáveis ​​entre si, vários autores propuseram princípios e padrões metodológicos uniformes. 3 Esses não seriam diferentes dos padrões que são aplicados em química para a nomenclatura de compostos químicos ou em biologia molecular para a classificação de receptores de serotonina. Uma forma comum e uma linguagem comum servem a uma causa comum.

A genética psiquiátrica é uma das fronteiras da psiquiatria que está redefinindo nossos conceitos de doenças psiquiátricas e seu tratamento. A genética, conforme se aplica ao comportamento, sofreu de charlatanismo e malevolência. Nossa disciplina continua sofrendo com esse legado doentio. No entanto, a futura legitimidade da psiquiatria reside em como iremos abordar, avaliar, criticar e moldar conceitos como aqueles apresentados pela genética psiquiátrica em uma teoria coerente da mente. Por apontar a necessidade, complexidade, limitações e promessa desse empreendimento, os autores do Manual de Genética Psiquiátrica estão de parabéns.

A Dra. Raby é bolsista de psiquiatria pública na Columbia University, em Nova York, NY.

Editado por Kenneth Blum e Ernest Noble. , Boca Raton, FL, CRC Press, 1997, 498 páginas, ISBN 0-8493-4486-7, $ 119,00

1. Eisenberg L: A construção social do cérebro. Am J Psychiatry 1995 152: 1563–1576Crossref, Medline, Google Scholar

2. Sanders AR, Yoshikawa T, Badner JA, et al: desequilíbrio de ligação entre transtorno bipolar e marcadores no cromossomo 18p11.2. Resumo # NR93, reunião anual da American Psychiatric Association, San Diego, CA, 17-22 de maio de 1997 Google Scholar

3. Owen MJ, Holmans P, McGuffin P: Estudos de associação em genética psiquiátrica. Psiquiatria Molecular 1997 2: 270–273Crossref, Medline, Google Scholar


Conteúdo

O gene codifica um membro da superfamília de enzimas do citocromo P450. As enzimas da subfamília CYP2C, incluindo CYP2C19, são responsáveis ​​por aproximadamente 20% do citocromo P450 no fígado adulto. [7] Essas proteínas são monooxigenases que catalisam muitas reações envolvidas no metabolismo de drogas e na síntese de colesterol, esteróides e outros lipídeos. Esta proteína se localiza no retículo endoplasmático e é conhecida por metabolizar muitos medicamentos. O polimorfismo dentro desse gene está associado à capacidade variável de metabolizar drogas. O gene está localizado dentro de um grupo de genes do citocromo P450 no braço q24 do cromossomo nº10. [8]

O CYP2C19 também possui atividade epoxigenase: é uma das principais enzimas responsáveis ​​por atacar vários ácidos graxos poliinsaturados de cadeia longa em suas ligações duplas (ou seja, alceno) para formar produtos epóxidos que atuam como agentes de sinalização. Ele metaboliza:

    a vários ácidos epoxyeicosatrienoicos (também denominados EETs) a ácidos 9,10-epóxi octadecaenóicos (também denominados ácido vernólico, ácido linoléico 9: 10-óxido ou leucotoxina) e 12,13-epoxi-octadecaenóico (também denominado ácido coronarico, ácido linoléico 12,13-óxido ou isoleucotoxina) a vários ácidos epoxidocosapentaenóicos (também denominados EDPs) e a vários ácidos epoxieicosatetraenóicos (também denominados EEQs). [9] [10] [11]

Junto com CYP2C19, CYP2C8, CYP2C9, CYP2J2 e possivelmente CYP2S1 são os principais produtores de EETs e, muito provavelmente, EEQs, EDPs e os epóxidos de ácido linoléico. [10] [12]

Farmacogenômica é um estudo que analisa como a composição genética de um indivíduo afeta a resposta desse indivíduo aos medicamentos. Existem muitas variações genéticas comuns que afetam a expressão do Gene CYP2C19, que por sua vez influenciam a atividade enzimática nas vias metabólicas das drogas nas quais essa enzima está envolvida.

O Pharmacogene Variation Consortium mantém o banco de dados de nomenclatura de alelos CYP humanos e atribui rótulos a polimorfismos conhecidos que afetam a resposta ao medicamento. Um rótulo consiste em um asterisco (*) seguido por um número. A variante mais comum (também chamada de tipo selvagem) tem o rótulo CYP2C19 * 1. Os genótipos variantes de CYP2C19 * 2 (NM_000769.2: c.681G & gtA p.Pro227Pro rs4244285), CYP2C19 * 3 (NM_000769.2: c.636G e gtA p.Trp212Ter rs4986800093) e CYP2C19 * 1776C 809.2 (c.636G & gtA p.Trp212Ter rs49868000T) rs12248560) [13] são os principais fatores atribuídos às diferenças interindividuais na farmacocinética e na resposta aos substratos do CYP2C19.

CYP2C19 * 2 e * 3 (alelos de perda de função) estão associados à atividade enzimática diminuída, [14] [15] enquanto CYP2C19 * 17 (alelo de ganho de função) resulta em aumento da atividade. [16] O Grupo de Trabalho da Associação para o Comitê de Prática Clínica de Patologia Molecular recomendou que esses três alelos variantes fossem incluídos no painel de teste farmacogenômico clínico mínimo, denominado camada 1. O painel estendido de alelos variantes, chamado camada 2, inclui adicionalmente os seguintes alelos CYP2C19: * 4.001 (* 4A), * 4.002 (* 4B), * 5, * 6, * 7, * 8, * 9, * 10 e * 35, todos eles associados com diminuído atividade enzimática. Embora esses alelos de nível 2 estejam incluídos em muitas plataformas, eles não foram incluídos nas recomendações de nível 1 devido à baixa frequência de alelos menores (que pode aumentar ocorrências falso-positivas), impacto menos bem caracterizado na função de CYP2C19 ou falta de referência materiais. Em parceria com a comunidade de testes clínicos, os Centros de Controle e Prevenção de Doenças estabeleceram o Programa de Materiais de Referência para Testes Genéticos para atender à necessidade de materiais de referência caracterizados disponíveis publicamente. Seu objetivo é melhorar o fornecimento de DNA genômico bem caracterizado e disponível ao público, usado como materiais de referência para testes de proficiência, controle de qualidade, desenvolvimento / validação de testes e estudos de pesquisa. [13]

As frequências alélicas de CYP2C19 * 2 e * 3 são significativamente mais altas nas populações chinesas do que nas europeias ou africanas, [17] e são encontradas em aproximadamente 3–5% das populações europeias e 15–20% das asiáticas. [18] [19] Entre a população árabe, a frequência dos genótipos CYP2C19 incluindo * 1 / * 17, * 1 / * 2, * 2 / * 2, * 3 / * 3 e * 1 / * 3 foi de 20,2%, 16,7%, 6,1%, 5,45%, 0,7% e 0,35%, respectivamente. [20] Em um estudo com 2,29 milhões de participantes de pesquisas genéticas diretas ao consumidor, as frequências gerais de * 2, * 3 e * 17 foram 15,2%, 0,3% e 20,4%, respectivamente, mas variaram por etnia. Os diplótipos variantes mais comuns foram * 1 / * 17 a 26% e * 1 / * 2 a 19,4%. Os genótipos menos comuns * 2 / * 17, * 17 / * 17 e * 2 / * 2 ocorreram em 6,0%, 4,4% e 2,5%, respectivamente. No geral, 58,3% dos participantes tinham pelo menos um alelo CYP2C19 com função aumentada ou sem função. [21]

O CYP2C19 está envolvido no processamento ou metabolização de pelo menos 10% dos medicamentos comumente prescritos. [22] Variações na enzima podem ter uma ampla gama de impactos no metabolismo do medicamento. Em pacientes com uma variante do CYP2C19 anormal, certos benzodiazepínicos devem ser evitados, como diazepam (Valium), lorazepam (Ativan), oxazepam (Serax) e temazepam (Restoril). [23] Outras categorias de medicamentos afetados pelo CYP2C19 modificado incluem inibidores da bomba de prótons, anticonvulsivantes, hipnóticos, sedativos, medicamentos antimaláricos e antirretrovirais. [22]

Com base em sua capacidade de metabolizar (S) -mefenitoína ou outros substratos do CYP2C19, os indivíduos podem ser classificados como metabolizadores ultrarápidos (UM), metabolizadores extensos (EM) ou metabolizadores fracos (PM). [19] [24] No caso dos inibidores da bomba de prótons, os PMs exibem uma exposição ao medicamento 3 a 13 vezes maior do que os EMs. [25] Alelos de perda de função, CYP2C19 * 2 e CYP2C19 * 3 (e outros, que são objeto de pesquisas em andamento) preveem PMs, [19] e o alelo de ganho de função CYP2C19 * 17 prediz UMs. [22]

Embora a quantidade de enzima CYP2C19 produzida pelo alelo * 17 seja maior do que o alelo * 1, [26] se os portadores do alelo * 17 experimentam qualquer diferença significativa na resposta aos medicamentos em comparação com o tipo selvagem, é um tópico de pesquisas em andamento, os estudos mostram resultados variados. [24] [27] Alguns estudos descobriram que o efeito da variante * 17 no metabolismo de omeprazol, pantoprazol, escitalopram, sertralina, voriconazol, tamoxifeno e clopidogrel [24] [28] é modesto, particularmente em comparação com o impacto da perda alelos de função (* 2, * 3), portanto, no caso desses medicamentos, a designação EM é às vezes aplicada em vez de UM. [24] Por exemplo, os portadores do alelo * 17 não demonstraram pH gástrico diferente em comparação com * 1 após tomar o inibidor da bomba de prótons omeprazol, um substrato do CYP2C19. [24] Outros estudos concluíram que o alelo * 17 parece ser o fator responsável pela menor resposta a alguns medicamentos, mesmo em doses mais altas, por exemplo, ao escitalopram para remissão dos sintomas em pacientes com transtorno depressivo maior.[27] O status de portador do CYP2C19 * 17 está significativamente associado ao aumento da resposta ao clopidogrel e um risco aumentado de sangramento, o maior risco foi observado para pacientes homozigotos CYP2C19 * 17. [29] [30] Um estudo descobriu que a concentração sérica de escitalopram foi 42% menor em pacientes homozigotos para CYP2C19 * 17. [31] Uma limitação importante de todos esses estudos é a análise de um único gene, uma vez que a maioria dos medicamentos metabolizados pelo CYP2C19 também são metabolizados pelas enzimas CYP2D6 e CYP3A4. Além disso, outros genes estão envolvidos na resposta aos medicamentos, por exemplo, o escitalopram é transportado pela P-glicoproteína, codificada pela ABCB1 gene. Para que os estudos sobre CYP2C19 * 17 sejam conclusivos, as diferenças em outros genes que afetam a resposta ao medicamento devem ser excluídas. [27] A prevalência da variante CYP2C19 * 17 é inferior a 5% nas populações asiáticas e é aproximadamente quatro vezes maior nas populações europeias e africanas. [24]

Os alelos CYP2C19 * 2 [32] e * 3 podem reduzir a eficácia do clopidogrel (Plavix), um medicamento antiplaquetário. A base para este efeito reduzido do clopidogrel em pacientes que têm um gene de atividade reduzida pode parecer um tanto paradoxal, mas pode ser entendida como segue. O clopidogrel é administrado como um “pró-fármaco”, um fármaco que é inativo quando tomado e que depende da ação de uma enzima do corpo para ser ativado. Em pacientes com um gene de atividade reduzida, o clopidogrel pode não ser metabolizado em sua forma biologicamente ativa e, portanto, não atinge o efeito farmacológico no organismo. O risco relativo de eventos cardíacos maiores entre pacientes tratados com clopidogrel é 1,53 a 3,69 vezes maior para portadores de CYP2C19 * 2 e CYP2C19 * 3 em comparação com não portadores. [33] Uma revisão sistemática de 2020 e uma meta-análise também confirmaram que a variante CYP2C19 * 2 tem uma forte associação com a resistência ao clopidogrel. [32]

A seguir está uma tabela de substratos, indutores e inibidores de CYP2C19 selecionados. Onde as classes de agentes são listadas, pode haver exceções dentro da classe.


Terapia gênica mediada por lipossomas

I.A.2 Lipossomas

Embora o DNA nu seja adequado para injeção intramuscular, ele é degradado rapidamente após a administração intravenosa. Uma forma de proteger o DNA da degradação e, ao mesmo tempo, permitir a entrega eficiente de genes é usando lipossomas. Devido à sua simplicidade, os lipossomas são de longe o sistema de entrega de DNA não viral mais comumente usado. Felgner e colaboradores relataram o primeiro uso de lipossomas como um veículo de entrega de genes em 1987. A Fig. 1 mostra a estrutura de alguns lipídios comuns usados ​​para produzir lipossomas. Destes, os dois lipídios mais comumente usados ​​para em vitro aplicações são N- [1- (2,3-dioleoiloxi) propil] -N,N,Nmetilsulfato de -trimetilamônio (DOTAP) e N- [1- (2,3-dioleoiloxi) propil] -N,N,N-cloreto de trimetilamônio (DOTMA), mas muitos lipídios diferentes estão disponíveis e a formulação pode ser adaptada para se adequar à aplicação específica. Por exemplo, lipídios auxiliares, como DOPE, que facilitam a fusão dos lipossomas com as membranas celulares, podem ser adicionados à mistura. Para aplicações clínicas, o lipídio mais comumente usado é o 3-β [N-(N′,N′-Dimetilaminoetano carbamoil)] colesterol (DC-Chol).

Figura 1 . Estruturas de alguns lipídios catiônicos comumente usados ​​e lipídios auxiliares usados ​​para entrega de genes.

Os complexos lipossoma / DNA (lipoplexos) são formados pela adição de pDNA a uma solução de lipossomas pré-formados. Após a adição do pDNA, ocorre o rearranjo dos lipídios de tal forma que o DNA é revestido com uma bicamada lipídica (mostrado na Fig. 2). Os lipídios mais usados ​​atualmente contêm grupos de cabeça carregados positivamente. A carga positiva facilita a associação dos lipossomas com o DNA carregado negativamente. Além disso, após a administração sistêmica, o excesso de carga positiva ajuda a formar uma interação eletrostática com proteínas da matriz extracelular com carga negativa. Em particular, o sulfato de heparina mostrou ser o receptor para lipoplexos.

Figura 2 . Micrografia eletrônica do complexo lipídio: pDNA (lipoplex).

Lipoplexes demonstraram ser capazes de entregar pDNA a uma variedade de tipos de células em vitro e na Vivo. Quando os lipoplexos entram em contato com as membranas celulares, eles são endocitados e depositam sua carga de pDNA no citoplasma da célula-alvo. A maior parte do pDNA é degradada, mas parte é translocada para o núcleo, onde é expressa transitoriamente. Quando administrados localmente por injeção intratumoral, os lipoplexos são captados e a expressão gênica é observada em aproximadamente 1–10% das células tumorais. Quando administrados, os lipoplexos intravenosos interagem e se tornam revestidos por proteínas séricas. Isso leva à sua absorção pelo sistema RES e pode, em parte, ser responsável pela baixa eficiência de transfecção desses vetores. No entanto, a expressão do gene é observada em todos os principais órgãos, com o pulmão apresentando o nível mais alto de atividade em camundongos. A expressão gênica atinge o pico em 24 horas e a expressão gênica de alto nível é observada por aproximadamente 2 dias. Foi demonstrado que a administração sistêmica de lipoplexos resulta em uma resposta imune inespecífica que é caracterizada por altos níveis de produção de citocinas e ativação de células assassinas naturais. Pensa-se que isto se deve à presença de motivos CpG não metilados presentes no pDNA. Os lipoplexos geralmente não são direcionados especificamente, mas podem ser tornados específicos pela adição de ligantes de direcionamento, como glicolipídeos que têm como alvo o fígado ou anticorpos monoclonais.

Apesar das muitas vantagens apresentadas pelo uso de métodos de entrega de DNA não viral, ainda existem muitos problemas significativos que devem ser superados para que seu uso generalizado seja viável. A limitação mais significativa dos sistemas não virais é a baixa eficiência de transfecção e a expressão gênica de baixo nível resultante que é observada. Para muitos regimes de tratamento, a expressão prolongada de alto nível do gene terapêutico é desejável. Como apenas uma pequena porcentagem de células expressa o gene entregue, a expressão de alto nível necessária para um efeito terapêutico pode não ser alcançável.

Outra dificuldade com os sistemas não virais é sua incapacidade de atingir tecidos específicos. Muitos sistemas não virais, como arma de gene ou injeção de DNA nu, dependem de métodos físicos para entregar pDNA às células. Por natureza, esses métodos são difíceis de direcionar para tecidos específicos. No entanto, muito trabalho foi feito usando promotores específicos de tecido para limitar a expressão do gene para o alvo de interesse.


Entrega de genes usando métodos físicos

3.2 Entrega de DNA nu

Uma injeção de DNA nu, sem qualquer portador, em tecidos locais ou na circulação sistêmica é provavelmente a abordagem física / mecânica mais simples e segura de entrega de genes. O DNA plasmídeo nu é um vetor de gene não viral atraente devido à sua simplicidade inerente e porque é facilmente produzido em bactérias e manipulado usando técnicas de DNA recombinante padrão. Mostra muito pouca disseminação e transfecção em locais distantes após a entrega e pode ser readministrado várias vezes em mamíferos (incluindo primatas) sem induzir uma resposta imune. Além disso, ao contrário da crença comum, a expressão de genes estranhos a longo prazo a partir de DNA de plasmídeo nu é possível mesmo sem integração cromossômica se a célula-alvo for pós-mitótica (como no músculo) ou lentamente mitótica (como nos hepatócitos) e se houver uma reação imunológica contra o estranho proteína não é gerada [5].

O primeiro relato de expressão direta de plasmídeo após injeção intramuscular direta em miofibras foi publicado por Wolff et al. em 1990 [5]. Foi uma descoberta inesperada, onde o uso de ácidos nucleicos nus foi mantido como o controle para experimentos projetados para avaliar a capacidade de lipídios catiônicos de mediar a expressão na Vivo. Embora o nível de expressão do transgene tenha sido relativamente baixo, foi suficiente para atingir a vacinação, e este relatório formou uma base adicional para gerar respostas imunes antivirais por injeção intramuscular de plasmídeos que codificam antígenos virais. Essas respostas imunes em animais contra vários agentes infecciosos levaram ao desenvolvimento de vacinas terapêuticas de DNA [10]. Hoje, o mundo das vacinas de DNA atingiu o nível de testes clínicos contra várias doenças, incluindo AIDS, tumor e outros agentes infecciosos virais, por injeção direta de DNA de plasmídeo nos músculos esqueléticos.

O nível de expressão do gene é significativamente governado pelo método de injeção de plasmídeo. Uma injeção guiada por iluminação intensa ao longo do eixo longitudinal do músculo quadríceps do camundongo e paralela às miofibras mostrou níveis 200 vezes mais altos de expressão de luciferase do que a injeção perpendicular [11]. Recentemente, a injeção de DNA de plasmídeo também foi usada para expressar macromoléculas biológicas como eritropoietina (EPO) e leptina, com resultados animadores. Isner, em 1999, propôs a transferência de genes intramuscular para angiogênese terapêutica [12], entregando o DNA plasmídeo para o fator de crescimento endotelial vascular (VEGF). Este método promove o desenvolvimento de vasos sanguíneos colaterais complementares que constituem condutos de bypass endógenos ao redor de artérias nativas ocluídas, para tratar isquemia crítica de membro [13,14] e isquemia miocárdica [15].

Além daquela obtida para os músculos esqueléticos, a expressão eficiente do transgene foi alcançada na injeção direta de DNA no fígado [16,17], tumores sólidos [18], epiderme [19], folículos capilares [19] e vias aéreas pulmonares [20] .

Os cientistas estudaram a injeção intratumoral direta de várias citocinas e genes inibidores do crescimento tumoral, com resultados satisfatórios para a vacinação tumoral [21]. A imunidade antitumoral foi alcançada por injeção direta de genes inibidores do crescimento tumoral, que inibiram o crescimento tumoral e desencadearam uma resposta imune por meio da captação de células tumorais apoptóticas por células apresentadoras de antígeno [21].

A administração direta intratraqueal de DNA plasmidial também mostrou expressão gênica nas vias aéreas de camundongos [20]. A administração de DNA plasmídico que codifica o gene da cloranfenicol acetiltransferase (CAT) em água estéril mostrou expressão do transgene CAT com pico de expressão de 1 e 3 dias e detectável até 28 dias após a administração do DNA [20]. Zheng et al. [22] mostraram a expressão do transgene de luciferase com nível de pico de instilação pós-DNA de 6-12 h e detectável até 72 h. No entanto, a expressão gênica prolongada foi alcançada por dosagem repetida [22]. Recentemente, a transferência de genes do pulmão mediada por DNA nu e significativamente melhorada através do uso de ácido aurintricarboxílico inibidor de nuclease também foi relatada por Glasspool e Malone [23]. Devido ao excelente perfil de segurança, a transferência livre de genes respiratórios baseada em plasmídeo pode encontrar suas aplicações no tratamento de uma variedade de doenças pulmonares [23].

A injeção sistêmica de DNA de plasmídeo também mostrou uma pequena quantidade de expressão do transgene em todos os principais órgãos. No entanto, a maior expressão gênica foi alcançada no fígado por causa da captação de DNA nu pela veia porta por células não parenquimatosas, provavelmente células de Kupffer, após a interação do DNA com receptores eliminadores de poliânions [24]. No entanto, a injeção intravascular de DNA nu sob alta pressão hidrostática com alto volume de injeção leva a um alto nível de expressão de genes estranhos em todos os músculos do membro-alvo [25] e no fígado [26]. Esses estudos levaram ao desenvolvimento do método hidrodinâmico de entrega de genes.

Recentemente, foi demonstrado que a injeção retrógrada direta de plasmídeo nu na veia renal em ratos transfere o DNA de maneira eficiente para os fibroblastos intersticiais renais próximos aos capilares peritubulares (PTC) [27]. Os plasmídeos inseridos foram interleucina de camundongo (IL)-10 gene usando IL-10 e proteína de fusão de imunoglobulina (IL-10/ Fc) plasmídeo de expressão (96-kDa), pCAGGS-IL10/ Fc. Uma relação dose-resposta entre soro IL-10 níveis e a quantidade de DNA injetado foi observada, com a expressão do transgene sustentada por até 2 semanas [27].

A entrega de genes por injeção de plasmídeo também foi explorada no tecido da córnea [28]. A injeção intraestromal foi usada para entregar plasmídeos de DNA nu na córnea para expressão gênica no epitélio da córnea de camundongos [29,30]. A expressão de pCMV LacaO gene repórter Z para a proteína β-gal foi observado 1 h após a injeção intraestromal, e a expressão foi observada por até 10 dias [29]. A rápida expressão do gene foi relacionada à capacidade dos plasmídeos de DNA injetados de entrar nas células epiteliais tanto por endocitose quanto pelo efeito da pressão intraestromal devido à mudança de volume da injeção de tampão isotônico. A expressão de plasmídeos que expressam pequenos RNA interferentes (siRNA) contra VEGF também foi alcançada após sua injeção no estroma corneano de camundongos [31]. A injeção intraestromal tem sido sugerida principalmente para tratar doenças agudas da córnea [29], porque as durações de retenção e expressão gênica na córnea após a injeção intraestromal foram consideradas relativamente curtas, independentemente da expressão rápida.

O mecanismo para a transferência de genes mediada por DNA nu ainda não está claro. Foi sugerido que o DNA nu é absorvido por células parenquimatosas na Vivo por um processo ativo, mediado por receptor [32]. A hipótese é baseada em resultados que mostram que o DNA administrado por via intravascular é apresentado aos hepatócitos imediatamente após a injeção, mas o DNA atingiu apenas 5–10% dos hepatócitos após 1 hora da injeção de DNA. Além disso, a co-injeção com excesso de polianions inibe a captação e a expressão de DNA, indicando a inibição competitiva da captação de DNA por polianions. A aplicação de alta pressão em injeções intravasculares pela administração de volumes maiores aumenta a expressão gênica, provavelmente facilitando a saída do DNA plasmidial dos vasos sanguíneos [32].

Embora a entrega de DNA nu tenha se mostrado promissora em animais menores, seu benefício clínico real será cumprido apenas se a expressão genética reproduzível significativa for alcançada em animais maiores. Para conseguir tal transfecção, uma força física externa é necessária. As seções subsequentes deste capítulo descrevem o uso de vários métodos físicos que empregam força externa para aumentar a expressão do DNA.


Pesquisas Biossociais (2008)

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9 Os genes são bons marcadores de características biológicas? Mary Jane West-Eberhard O século 20 foi chamado de “o século do gene” (Keller, 2000), uma era de progresso sem precedentes no entendimento da herança. O século 20 começou com a redescoberta das leis de Mendel, testemunhou a descoberta da estrutura e da natureza do DNA e terminou com o lançamento do projeto genoma humano. O resultado foi um acúmulo de informações genéticas muito além da compreensão de qualquer cientista. Os não-genéticos são confrontados quase diariamente com novos fatos sobre genes que parecem ser de enorme relevância para suas vidas. O que fazer com essas descobertas? Como devemos pensar sobre eles? Recentemente, tive que lidar com esse problema como biólogo, escrevendo sobre o desenvolvimento em relação à evolução. A genética é a base da biologia evolutiva moderna, então não tive dúvidas sobre a importância dos genes. Mas eu queria explicar a evolução dos fenótipos - as características comportamentais, fisiológicas e morfológicas observáveis ​​dos organismos. Minha especialidade principal é no comportamento social dos insetos, o que me tornou bastante consciente da flexibilidade adaptativa do comportamento e das ligações mediadas por hormônios entre a expressão gênica e a diversificação morfológica. Eu estava especialmente ciente de que as diferenças dramáticas entre “trabalhadores” de insetos sociais estéreis e “rainhas” que põem ovos não dependem de diferenças genéticas entre os indivíduos, mas, em vez disso, surgem de diferenças em seus ambientes sociais, em particular o domínio relações entre adultos e suas dietas como larvas. Com base nesse contexto, fica claro que as características fenotípicas não são determinadas apenas pelos genes. Como então 175

176 PESQUISAS BIOSSOCIAIS deve-se pensar sobre o papel formativo dos genes? Neste ensaio, discuto alguns resultados de minhas próprias lutas com esse problema que podem ajudar outros não geneticistas a pensar sobre os genes. O volume que acompanha este, Cells and Surveys (National Research Council, 2001) contém um capítulo (Wallace, 2001) sobre marcadores genéticos em pesquisas populacionais de características humanas, cuja linguagem poderia servir como um modelo de precisão meticulosa na discussão de dados genéticos . Este capítulo pretende ser uma espécie de guia do leitor sobre como relacionar genes a características fenotípicas em geral, a fim de melhor interpretar resultados de pesquisas e discussões públicas que tentam relacionar genes a características humanas particulares. Para uma discussão mais completa, consulte West-Eberhard (2003, Parte I). VALOR DE UMA PERSPECTIVA DE DESENVOLVIMENTO-EVOLUÇÃO PARA ANÁLISES GENÉTICAS DE CARACTERÍSTICAS Para entender como funciona qualquer aparato complexo, é útil saber como ele foi montado. Para características de organismos, isso significa entender como eles se desenvolvem e como evoluíram. Às vezes, a evolução é descrita como um processo de seleção e mutação genética aleatória. Avanços na genética molecular da expressão e desenvolvimento de genes, bem como em métodos filogenéticos que permitem histórias mais precisas de mudanças orgânicas, apóiam uma visão diferente: novos traços se originam por meio da reorganização do desenvolvimento de fenótipos ancestrais, não apenas por uma série de mutações aleatórias e seus novos efeitos cumulativos. Ou seja, os traços observados foram montados por meio da reorganização de traços mais antigos, com genes antigos usados ​​em novas combinações. Além disso, a reorganização do desenvolvimento pode ser iniciada por fatores ambientais, bem como por mutações. Ao manter a importância universalmente reconhecida do meio ambiente no desenvolvimento, a indução ambiental pode desempenhar um papel importante nas origens reorganizacionais de novos traços (para um resumo e extensa documentação, ver West-Eberhard, 2003, Capítulos 9-18, sobre evolução por reorganização do desenvolvimento (capítulos 6, 20, 26 sobre o papel dos fatores ambientais). Essas descobertas são relevantes para a busca de marcadores genéticos - loci genéticos cujos diferentes alelos se correlacionam fortemente com, e podem, portanto, ser usados ​​para prever a variação em características humanas.Em primeiro lugar, devido à mudança pela reorganização da expressão gênica, organismos ou populações relacionadas podem ter características marcadamente distintas, ou "fenótipos", sem ter um grande número, ou qualquer, novos genes ou alelos genéticos distintos (sequências de DNA alternativas em o mesmo locus cromossômico). Isso é ilustrado pela pequena distância genética entre humanos e chimpanzés, apesar das diferenças consideráveis ​​em seus fenótipos comportamentais e morfológicos (King e Wilson, 1975). Em segundo lugar, a reutilização dos mesmos genes em diferentes

MARY JANE WEST-EBERHARD 177 contextos significa que um gene considerado crucial para a variação em um traço de interesse - um fenótipo de doença ou uma propriedade demográfica como longevidade ou fertilidade - pode ser expresso comumente em outros contextos ou pode ter diferentes efeitos em diferentes fases da vida (ver, por exemplo, Ewbank, 2000, sobre o gene ApoE). A pesquisa sobre marcadores precisa levar em consideração o estágio de vida e outras variáveis ​​contextuais e ambientais na busca por preditores confiáveis ​​de características particulares. O papel do meio ambiente na indução de fenótipos reorganizados geneticamente complexos, como quando a desnutrição fetal afeta a expressão de obesidade, diabetes, doença cardíaca coronária e hipertensão em um grande número de adultos (Osmond e Barker, 2000), é um lembrete de que as populações humanas podem conter frequências apreciáveis ​​de variantes fenotípicas complexas e bem definidas que não correspondem às variantes genéticas. Uma perspectiva evolutiva também contribui para o arsenal de técnicas que podem ser utilizadas na busca de causas genéticas. Biólogos evolucionistas rotineiramente comparam diferentes espécies e populações para iluminar as funções e causas de características particulares, averiguando suas correlações com outras características e com as condições de vida. O estudo comparativo pode facilitar a seleção de organismos que são particularmente propensos a lançar luz sobre questões específicas de interesse para demógrafos e cientistas sociais, e pode apontar traços de valor insuspeitado para testar certas idéias. Por exemplo, um levantamento recente de uma ampla gama de espécies revelou uma correlação entre o desenvolvimento embrionário lento e o envelhecimento rápido entre diferentes espécies de pássaros e mamíferos (Ricklefs, 2006). E um estudo filogenético de papagaios revelou peculiaridades do genoma mitocondrial que podem estar associadas à longevidade incomum de papagaios entre pássaros (Eberhard, Wright e Bermingham, 2001 Wright e Eberhard, no prelo). Além disso, os biólogos evolucionistas têm prática na análise da genética populacional de características geneticamente complexas (poligênicas), como a maioria daquelas de interesse para epidemiologistas e demógrafos (Sing, Haviland, Templeton, Zerba e Reilly, 1992 Sing, Haviland, Templeton e Reilly, 1995). E a prática disciplinada de questionar o significado funcional e adaptativo de determinados tipos de genes pode levar a novos insights com resultados práticos. Por exemplo, uma hipótese evolutiva a respeito da importância dos genes impressos pelos pais - genes cuja expressão depende do pai de origem - levou a um foco nesses genes específicos como possivelmente envolvidos no desenvolvimento do autismo e distúrbios relacionados ( Badcock e Crespi, 2006). A crença passada na importância da mutação para a origem de novos traços ajudou a perpetuar o mal-entendido sobre o papel de genes únicos na evolução e desenvolvimento de traços complexos. A noção de um gene, um fenótipo é agora amplamente reconhecida por biólogos para

Talvez se engane, mas ainda é uma ideia intuitivamente atraente que é reforçada por exercícios de livros didáticos sobre genética de Mendel e por pesquisas sobre genomas bacterianos e seus fenótipos moleculares (por exemplo, Ptashne, 1992). A pesquisa moderna sobre desenvolvimento e evolução em organismos multicelulares ajuda a pavimentar o caminho para uma visão mais realista do papel dos genes na produção de fenótipos complexos em humanos e outros organismos. A questão do controle de um único gene é explorada mais detalhadamente nas próximas duas seções. ESTRUTURA GENÉTICA DE UM TRAÇO Um “traço” é simplesmente uma característica um tanto discreta de um organismo. Pode ser um aspecto da morfologia, um estado fisiológico, um comportamento, uma molécula ou uma doença, mas a implicação é que é um produto do desenvolvimento que é qualitativamente distinto em relação a outros aspectos do organismo. Alguns autores usam o termo “módulo” para descrever um traço discreto. Em termos operacionais, um traço discreto ou modular pode ser definido como um produto de um caminho de desenvolvimento separado. Mas é mais correto dizer que um traço é "um pouco discreto" em vez de "discreto", ou que é "modular" em vez de "um módulo", porque nenhum traço é completamente independente de todos os outros traços em um organismo individual integrado. Além das características qualitativas discretas dos organismos, há outras características, como tamanho do corpo ou longevidade, que são "características quantitativas" - características que são descritas em termos de seus valores numericamente mensuráveis ​​(quantificáveis) ( por exemplo, peso, massa ou tempo de vida). Traços discretos e qualitativos têm dimensões (por exemplo, o comprimento de um osso, a duração de um comportamento) que podem ser medidos como traços quantitativamente variáveis. Exemplos de traços discretos são tecidos diferenciados, como pele, osso ou sangue, um sexo diferenciado (masculino ou feminino), um comportamento como namoro, riso ou ataque agressivo ou uma doença como esquizofrenia ou gripe. Cada uma dessas características complexas envolve a expressão de um conjunto específico de genes ou o uso de um conjunto específico de produtos gênicos. No desenvolvimento de um organismo individual, um traço discreto é manifestado ou “expresso” quando um limiar para sua produção é ultrapassado. Genes particulares e seus produtos nem sempre estão “ligados” ou em uso. Uma explosão de riso, por exemplo, presumivelmente tem algum limiar de percepção ou sensibilidade que é ultrapassado quando é disparada, e então há outro limiar para encerrá-la. O mesmo é verdade para estados fisiológicos e para o crescimento e diferenciação de características morfológicas. O momento do "ligado" e do "desligado" determina o valor da dimensão quantitativa de um traço discreto, de modo que se possa medir a duração do riso, a força de uma resposta fisiológica como uma contração muscular, o comprimento de um osso, ou o tempo de início e duração de uma doença. Para ilustrar a estrutura genética de um traço complexo, considere um rela-

MARY JANE WEST-EBERHARD 179 traço comportamental distintamente simples e característico como o riso. Como podemos caracterizar os fundamentos genéticos de tal característica? Um gene do riso - ou, mais precisamente, um gene que influencia a capacidade de um indivíduo de rir - pode ser um gene que afeta a estrutura das cordas vocais, a forma dos músculos faciais que participam da expressão da alegria, e os músculos do diafragma, que permitem que as rajadas de ar produzam os sons característicos do riso. Esses conjuntos de genes - aqueles que são expressos ou cujos produtos são usados ​​quando uma característica é manifestada por um organismo individual - são modificadores da forma. Outro conjunto de genes - modificadores da regulação - influencia se ou não, e quando, o traço é expresso, ou ligado e desligado. Os modificadores da regulação podem incluir genes que afetam a acuidade sensorial (de visão, audição e tato) que permitem a percepção de estímulos que provocam risos e os genes que afetam o processamento central desses estímulos no cérebro. Às vezes, os modificadores de regulação são descritos como agindo “a montante” do ponto limite que transforma o traço nos modificadores de forma são descritos como sendo expressos “a jusante” do switch (Figura 9-1). O limite, ou ponto de mudança, é um ponto de decisão, o ponto em que a expressão de um traço é considerada determinada. Claramente, tanto a modificação da regulação quanto a modificação da forma podem ser altamente poligênicas, uma vez que todos esses sistemas contribuintes são eles próprios geneticamente complexos. Os próprios genes não determinam a expressão de uma característica como o riso - ou qualquer outra característica. O aparato do riso geneticamente influenciado exige que algum fator ambiental - uma piada, um evento cômico ou um cerco de cócegas - seja ativado. A expressão da característica é modificada em conjunto pelos genes (por exemplo, aqueles que influenciam o nível do limiar) e pelo ambiente. O ambiente influencia ainda mais a estrutura que responde, pois nenhum gene pode atuar sozinho para produzir uma estrutura (por exemplo, músculo, nervo e osso) sem estímulos e materiais de origem ambiental. Os fatores ambientais que influenciam a regulação e a forma podem ser tão específicos e precisos em suas propriedades quanto as próprias instruções genômicas, conforme ilustrado pela precisão das dicas de duração do dia que desencadeiam a hibernação e a diapausa nas fisiologias de inverno dos organismos e nos elementos dietéticos, como vitaminas e aminoácidos específicos, que são necessários para o desenvolvimento humano normal. As influências genômicas e ambientais entrelaçadas na expressão de traços são ainda mais complicadas pelo fato de que episódios anteriores de expressão gênica se somam ao ambiente efetivo: os genes agem dentro das células e os produtos gênicos tornam-se parte do ambiente interno para a expressão gênica subsequente. A expressão gênica prévia e a interação com o meio ambiente também contribuem para os ambientes físico e social de qualquer episódio subsequente de expressão gênica. Apesar disso

180 PESQUISAS BIOSOCIAIS FIGURA 9-1 'O desenvolvimento de um traço fenotípico. O desenvolvimento pode ser visualizado como uma série de caminhos de ramificação, cada característica modular sendo o ponto final de um caminho de desenvolvimento ou ramificação. A determinação da característica ocorre quando um novo ramo é formado em um ponto de decisão ou mudança, descrito aqui como governado por um limite que caracteriza algum mecanismo de desenvolvimento influenciado geneticamente e ambientalmente sensível. Vias alternativas levam a formas fenotípicas alternativas, que envolvem a expressão de conjuntos alternativos de modificadores genéticos ou o uso de conjuntos alternativos de produtos gênicos. Fatores ambientais também podem ser determinantes (blocos de construção) da forma fenotípica. Os eventos a montante e a jusante da determinação do traço são influenciados por diferentes conjuntos de genes. intrincada história de influência genética, seria impreciso pensar que o genoma pode executar tudo, pois nenhum gene pode agir para produzir um sinal de desenvolvimento ou um produto de proteína sem materiais, energia e, muitas vezes, pistas derivadas de fora do organismo. A complexidade da estrutura do traço às vezes é revelada pela expressão parcial do traço. Na expressão completa do riso, por exemplo, uma única entrada (como cócegas) afeta um limiar de determinação de traço (o início do riso) que coordena uma resposta composta, com vários, de outra forma um tanto independentes, aspectos do fenótipo , como respiração, expressão facial e produção vocal em sincronia. Em um baixo nível de estimulação, alguns desses elementos da resposta composta podem ser omitidos, se o limite para todos não for ultrapassado.

MARY JANE WEST-EBERHARD 181 Em tal composto ou característica de mosaico, vários componentes semi-independentes diferentes, cada um influenciado por um conjunto separado de genes subjacentes, são acionados. Da mesma forma, uma infecção pode induzir um conjunto completo “típico” de sintomas da doença, mas alguns podem estar ausentes em expressões da doença abaixo ou próximas do limiar. A variação nas características quantitativas também depende tipicamente de uma multiplicidade de genes e de fatores ambientais. O tamanho do corpo, por exemplo, pode ser influenciado pela eficiência metabólica, apetite, capacidade de forrageamento, resistência a doenças e a capacidade de aprender como obter alimentos - todos aspectos geneticamente complexos do fenótipo individual. E, obviamente, o tamanho do corpo é afetado por fatores ambientais como a disponibilidade de alimentos, as demandas de energia de condições físicas flutuantes e a incidência de predação ou doença. Esta é uma caracterização grosseiramente simplificada dos fundamentos genéticos do desenvolvimento e variação de traços, mas é um guia útil para relacionar genes a traços fenotípicos observáveis. Traços complexos off-on, bem como traços quantitativos, são universalmente poligênicos tanto na regulação quanto na forma, bem como universalmente sensíveis ao meio ambiente em sua expressão. Além disso, a expressão discreta do traço envolve dois conjuntos principais de genes: aqueles a montante do traço, cuja expressão ou produtos influenciam se e quando o traço é produzido e aqueles a jusante do traço, cuja expressão ou cujos produtos modificam a forma do característica em si, tornando-a distinta em relação a outras características do mesmo organismo. MARCADORES DE CARACTERÍSTICAS DE UM ÚNICO GENE: O SIGNIFICADO DE UM GENE "PARA" UMA CARACTERÍSTICA Apesar da complexidade genética da maioria das características de interesse para biólogos, pesquisadores médicos e cientistas sociais, é comum que geneticistas teóricos se refiram a genes “para” traços particulares, como cor da pelagem ou altruísmo. Também é comum que os biólogos pensem em termos de um gene para uma característica nas explicações em sala de aula de como a genética mendeliana e a evolução das características funcionam. Portanto, a linguagem que se refere a um gene “para” um traço complexo não é de forma alguma nova ou incomum entre os biólogos. Mas essa convenção linguística assumiu um novo significado na era atual, quando os genes associados a características particulares podem ser bioquimicamente caracterizados, com nomes atribuídos e precisamente localizados em cromossomos específicos. O que? Para uma discussão dos processos de desenvolvimento realmente afetados por modificadores de regulação e forma, de termos alternativos como "genes reguladores" e "genes estruturais", e uma discussão mais completa da modularidade e da genética em relação ao desenvolvimento e evolução de novos traços, ver West-Eberhard (2003). Gerhart e Kirschner (1997) e Kirschner e Gerhart (2005) discutem a natureza não aleatória de novos traços derivados de respostas preexistentes de células.

O que antes era uma maneira abstrata de falar, tornou-se uma afirmação real sobre a determinação genética das características. Há alguns anos venho fazendo uma coleção de genes “para” traços humanos anunciados em revistas científicas e na imprensa popular. A coleta começou no início da década de 1990 com a descoberta do "gene da obesidade". Agora inclui, entre outros, anúncios de genes para linguagem, inteligência, alcoolismo, doença bipolar, surdez, esquizofrenia, asma, longevidade e solicitude materna. Também existe um gene guerreiro, um gene “gay” (orientação sexual) e até mesmo um gene gracioso da mandíbula responsável por um traço facial humano não presente em outros primatas. Qual é a base empírica para esses anúncios? Normalmente, a afirmação gene para traço é baseada na descoberta de uma mutação ou um nocaute genético que afeta dramaticamente a probabilidade de expressar o traço. O que isso significa em termos de desenvolvimento é que um dos muitos modificadores de regulação do traço, por exemplo, um dos poligenes que afeta seu limiar de expressão, foi alterado e adquire um grande efeito de "gene principal" sobre expressão do traço. Ou seja, o efeito da mutação faz com que um dos poligenes predomine na determinação do traço de forma que sozinho possa controlar a troca de expressão do traço. Esta é uma ferramenta de pesquisa útil porque torna identificável um dos modificadores da regulação, ao passo que em seu estado normal não mutado seu efeito poderia ter sido tão pequeno a ponto de ser indistinguível daqueles de muitos outros modificadores da regulação. O grande efeito da mutação dá a impressão de controle de um único gene da característica. Na verdade, a expressão ou não expressão do fenótipo em indivíduos da população em geral está sujeita à influência poligênica e ambiental. Mutações de grande efeito são comumente responsáveis ​​por doenças hereditárias familiares, dando a falsa impressão de um fenótipo geneticamente simples, desprovido de efeitos ambientais. A doença bipolar (maníaco-depressiva) é um exemplo de doença “genética” herdada dentro das famílias. Os padrões de herança dentro das populações afetadas sugerem que o genoma de algum ancestral sofreu uma mutação, cujos portadores entre os descendentes têm uma probabilidade aumentada de manifestar a doença. Se o modelo de arquitetura genética poligênica que acabei de descrever estiver correto, várias previsões são possíveis. Em primeiro lugar, as mutações em diferentes loci genéticos devem estar associadas à doença em diferentes famílias ou populações. Em segundo lugar, deve haver evidências de influência ambiental na incidência da doença. E, terceiro, deve haver evidência fenotípica (fisiológica, morfológica, comportamental) da complexidade dos mecanismos subjacentes à doença. Todas essas previsões são válidas para a doença bipolar. A doença foi associada a regiões em pelo menos oito cromossomos diferentes (Blackwood, Visscher e Muir, 2001 Kelsoe et al., 2001), e mutações em diferentes

MARY JANE WEST-EBERHARD 183 Essas localizações cromossômicas são importantes em diferentes populações. Por exemplo, os marcadores genéticos estão localizados no cromossomo X em uma população finlandesa (Pekkarinen, Terwilliger, Bredhacka, Lannqvist e Peltonen, 1995) cromossomo 18 em famílias da Costa Rica (Freimer et al., 1996) cromossomo 22 em geral População norte-americana (Kelsoe et al., 2001) e (em um locus diferente) em famílias do norte da Europa de ascendência caucasiana (Barrett et al., 2003) e cromossomo 12 em uma população dinamarquesa e (com alguma sobreposição cromossômica) em um isolado população nas Ilhas Faroé do Atlântico Norte, uma região colonizada por escandinavos (Degn et al., 2001). A influência ambiental na expressão da doença bipolar é sugerida pelo fato de que a ocorrência da fase depressiva se correlaciona com a duração do dia (a incidência é maior no inverno) e pelo fato de que 20 por cento dos gêmeos idênticos de indivíduos afetados não apresentam a doença (Gershon, 1990). Portanto, a mutação genética pode estar presente sem ser expressa. O mosaico ou natureza composta do fenótipo da doença bipolar é indicado pela variação clínica nos sintomas da doença deste e de distúrbios relacionados, que foi referido como o “espectro bipolar” (Gershon, 1990, p. 380).No transtorno bipolar tipo I, os pacientes têm fases maníaca e depressiva no transtorno bipolar tipo II, eles mostram hipomania, mas não uma fase maníaca completa e estudos com gêmeos indicaram que há alguma sobreposição na vulnerabilidade para unipolar (depressivo) e bipolar (maníaco- doença depressiva). Existem também algumas evidências de estudos de parentes genéticos para uma associação entre a doença bipolar e outras doenças, como o transtorno esquizoafetivo e o transtorno de personalidade ciclotímica (Gershon, 1990). Finalmente, a complexidade dos mecanismos subjacentes à doença bipolar é evidente em vários estudos. Por exemplo, pesquisas sobre mecanismos de transdução de sinais no cérebro sugerem que a doença bipolar pode ser devido à interação de muitos tipos de anormalidades nesses sistemas (Bezchlibnyk e Young, 2002), uma conclusão apoiada pelo fato de que o lítio, uma substância há muito conhecido empiricamente por trazer alívio para pacientes bipolares, parece atuar estabilizando atividades neuronais, incluindo atividades de sinalização de vários tipos e em vários níveis de influência sobre a plasticidade neural (Jope, 1999). Os estudos de mutação podem auxiliar na dissecção genética das causas de fenótipos complexos. O estudo das mutações e dos tecidos cerebrais na doença bipolar, por exemplo, identificou a função alterada e os níveis de moléculas efetoras específicas, como a proteína quinase Lambda (PKÎ) e a proteína quinase C (PKC) (Bezchlibnyk e Young, 2002) e do receptor quinase 3 da proteína G (GRK3) (Barrett et al., 2003), como envolvido com as anormalidades de transdução de sinal associadas à doença.

Em suma, estudos de locus de um único gene são claramente valiosos porque permitem a identificação de genes e vias que influenciam o desenvolvimento de características complexas. Mas eles não nos dizem que um locus genético particular “controla” o desenvolvimento da característica. Com exceção de muito poucas doenças raras que parecem estar realmente sob controle de locus único (por exemplo, fibrose cística, doença de Huntington (coréia de Huntington), fenilcetonúria e síndrome de Smith-Lendi-Opitz ), os loci mutantes associados à doença hereditária são marcadores globais não confiáveis ​​porque o genótipo da doença pode variar com a população de origem. Afirmações imprecisas sobre a "determinação genética" ou a "determinação ambiental" das características são facilmente fixadas simplesmente usando a palavra "influenciado" em vez de "determinado". Da mesma forma, um gene "para" um determinado traço é descrito com mais precisão como um gene que “influencia” um traço particular. A única palavra “influência” transforma um título enganoso em um título preciso. Esta é uma mutação linguística cuja propagação deve ser encorajada sob forte pressão seletiva de biólogos e cientistas sociais. MARCADORES DE CARACTERÍSTICAS QUANTITATIVAS: GENES DE LONGEVIDADE Três dos genes em minha coleção de genes “para” características são genes para características quantitativamente variáveis ​​- obesidade, longevidade e inteligência. A natureza poligênica e a sensibilidade ambiental da variação nessas características são tão óbvias que não precisam de evidências além da experiência comum. O controle do desenvolvimento de uma característica quantitativa poligênica pode ser sufocado por uma mutação de grande efeito, assim como a determinação de uma característica discreta. Portanto, as mesmas reservas em relação aos marcadores de um único gene descritas na seção anterior se aplicam também aos marcadores de um único gene de características quantitativas. Aqui, concentro-me nos genes da longevidade porque são “demógrafos” (Ewbank, 2000) - genes que afetam um parâmetro de interesse dos demógrafos. A teoria da evolução possui um ramo que trata da evolução da longevidade e da senescência. Embora essa não seja minha especialidade, uma ideia me parece particularmente relevante para a busca de uma base genética do desenvolvimento para a longevidade. Williams (1957) sugeriu que uma aceleração pós-produtiva da senescência é esperada devido a um tipo de pleiotropia antagônica - o acúmulo de efeitos pós-produtivos pleiotrópicos negativos de genes que têm efeitos positivos na sobrevivência e reprodução em estágios mais jovens (reprodutivos e pré-reprodutivos) . A seleção natural pode afetar apenas as características (e genes) expressos antes do final da reprodução, a expressão pós-produtiva geralmente não afeta o sucesso reprodutivo relativo (seleção), a menos que de alguma forma afete o sucesso reprodutivo dos co-portadores dos mesmos alelos genéticos (por exemplo, parentes). Este é um argumento

MARY JANE WEST-EBERHARD 185 ment usado para explicar o "efeito avó" - a longa sobrevivência pós-menopausa e a atividade de mulheres humanas, que muitas vezes dão uma contribuição pós-produtiva substancial para a criação de seus netos (Hawkes, O'Connell, Jones, Alvarez e Charnov, 1998). A pleiotropia antagonística prediz que as doenças do envelhecimento têm uma probabilidade especial de estar associadas a benefícios precoces (Williams e Nesse, 1991) e que alguns genes que contribuem para a senescência em idosos podem apresentar pouca variação alélica (polimorfismo) dentro das populações, estando sob forte positividade seleção durante as fases anteriores da vida. Lendo a literatura sobre a busca de genes de longevidade, percebe-se a convicção de que deve haver alguma base geral subjacente para uma longa expectativa de vida, se apenas alguém pudesse encontrá-la. É uma busca mais antiga do que a própria ciência, que remonta à busca dos alquimistas medievais pelo elixir que prolongaria a vida. Os genes da longevidade continuam sendo os genes de características quantitativas de maior interesse público. Nem todo mundo tem inteligência severamente limitada ou um problema de obesidade, mas todo mundo tem uma expectativa de vida limitada. Apesar de nossos desejos arraigados, o raciocínio do senso comum e as descobertas até agora fornecem pouca esperança de sucesso na descoberta de genes de longevidade de efeito principal. Qualquer um dos enormes números de genes que contribuem para a sobrevivência podem ser considerados genes de longevidade. Entre os candidatos que foram propostos estão vários loci de proteínas de choque térmico, que recebem atenção especial porque são difundidos entre os organismos, incluindo humanos, e são respostas de propósito geral a vários tipos de estresse sistêmico, como estresse térmico, oxidantes e fome. Foi demonstrado que algumas proteínas de choque térmico prolongam a vida em linhagens transgênicas de moscas-das-frutas submetidas a esses estresses (Wang, Kazemi-Esfarjani e Benzer, 2004). Não consigo ver nenhuma razão para conceder status mais elevado a esses genes como genes de longevidade do que genes que afetam, digamos, o desenvolvimento da asa, que também influencia a sobrevivência da mosca-das-frutas em vários contextos (por exemplo, localização de fontes de alimento sob fome, movimento para a sombra sob estresse térmico, vôo para escapar de predadores). Ainda assim, o Wang et al. (2004) representa um avanço na pesquisa molecular sobre longevidade porque, em vez de ignorar o ambiente, manipulou experimentalmente o ambiente para investigar os efeitos da longevidade de genes específicos. Ewbank (2000) lista quatro critérios que um gene de longevidade deve ter para ser considerado marcadores demograficamente úteis, capazes de prever a variação na expectativa de vida: (1) associação com as causas mais comuns de morte (2) alelos múltiplos (polimorfismo genético) do gene, associado à variação substancial na mortalidade (3) grande variação nas frequências desses alelos entre as populações e (4) correlações dos alelos com características ambientais ou comportamentais consideradas associadas às taxas de mortalidade. Ewbank relata que apenas um gene humano é conhecido por satisfazer todos esses critérios, o gene da apolipoproteína E (ApoE). O gene ApoE (1) é um dos principais

O fator de risco para doença isquêmica do coração e doença de Alzheimer (2) possui três alelos comuns (ApoE-2, ApoE-3, ApoE-4), duas combinações deles (ApoE-3 / ApoE-4 e ApoE-4 / ApoE-4) associada a risco aumentado de ambas as doenças, e duas outras (ApoE-2 / ApoE-2 e ApoE-2 / ApoE-3) associadas a risco reduzido de ambas as doenças - esses riscos variam com a idade e o histórico genético (Ewbank, 2000, pp. 73-74) - e com as circunstâncias ambientais (teor de gordura da dieta Ewbank, 2000, pp. 78-79) (3) as frequências dos três alelos variam geograficamente (por exemplo, o ApoE- O alelo 4 é incomumente comum na África, onde sua frequência é 0,20) e (4) a taxa de mortalidade associada ao genótipo é afetada pela dieta, uma característica ambiental e comportamental de interesse. No entanto, adverte Ewbank, “não é provável que um único genótipo explique muito da heterogeneidade da mortalidade abaixo dos 80 anos. . . Para colocar isso em perspectiva, eu estimo que o genótipo APOE e4 / 4 está associado a um risco relativo de morte aos 80 anos de cerca de 2 anos em relação ao genótipo mais comum, e3 / 3. Menos de 5% da população tem o genótipo e4 / 4 ”(Ewbank, 2000, p. 83). Essa conclusão muito reservada a respeito do único gene que se encaixa nas características mínimas de utilidade demográfica sugere que genes específicos não são marcadores promissores de longevidade. Talvez venha a haver genes ou padrões de expressão gênica que afetam a energia geral ou a resistência a longo prazo. Nesse caso, os papagaios podem ser melhores organismos modelo do que nemátodos ou moscas-das-frutas na busca por características genômicas associadas à longevidade. Para estudar correlatos fenotípicos, em vez de genéticos, de longevidade com as grandes amostras necessárias, os insetos se mostraram mais adequados do que pássaros ou camundongos (Carey, 2003). MARCADORES GENÉTICOS: CRITÉRIOS E CRITÉRIOS TRAPS Seguindo a orientação de Ewbank (2000), podemos listar os critérios a serem satisfeitos por um marcador genético confiável de locus único de um traço fenotípico: 1. O traço fenotípico cuja ocorrência futura deve ser prevista pelo marcador deve ser uniforme e operacionalmente bem definido, por exemplo, como um valor mensurável específico de um traço quantitativo ou um conjunto de características distintivas consistentemente associadas de um traço qualitativo discreto. Inteligência, por exemplo, é um traço insuficientemente bem definido para servir de base para uma pesquisa de biomarcador. Algum aspecto particular do que chamamos de inteligência, conforme medido por algum teste padronizado bem pesquisado, precisaria ser usado.

MARY JANE WEST-EBERHARD 187 2. Para ser útil como um preditor, o marcador deve ser detectável antes que o traço apareça durante o desenvolvimento individual. Uma sequência particular de DNA pode satisfazer este critério, pois o genótipo não muda durante o desenvolvimento. Uma proteína especificada por uma sequência de DNA particular é um marcador menos confiável, pelas razões discutidas abaixo. 3. Deve haver vários alelos (polimorfismo genético) do gene marcador, altamente correlacionados com a variação mensurável na expressão da característica. Para características qualitativas (discretas), isso significa variação em se a característica é expressa ou não, não variação em alguma característica da característica uma vez que está presente. 4. A confiança no marcador é aumentada se puder ser mostrado que sua expressão está envolvida em mecanismos de desenvolvimento ou caminhos conhecidos por estarem envolvidos no desenvolvimento do traço versus o não desenvolvimento de um traço discreto ou menor desenvolvimento de um traço quantitativo . Armadilhas potenciais Dada a estrutura do desenvolvimento em relação à expressão gênica e a natureza poligênica de características complexas, há vários tipos de erros que podem aparecer em discussões sobre marcadores genéticos e sua avaliação por pesquisadores. Erro tipo 1. ”A suposição de que um gene (um alelo genético) comumente expresso em portadores de uma característica e não expresso em não portadores da característica é uma das principais causas da característica. Isso é errôneo para genes expressos a jusante da determinação de traço discreto, pois modificadores de forma, embora afetem as características do traço, não afetam a probabilidade de sua expressão durante o desenvolvimento. Um erro do tipo 1 é semelhante a considerar um sintoma (como febre) como a causa de uma doença. Erro tipo 2. € ‚Extrapolação injustificada entre populações. Uma mutação que causa um traço familiar altamente hereditário pode ser um marcador genético útil nos descendentes do indivíduo mutante. Mas outras populações com a mesma característica podem ter uma causa mutante diferente, como na doença bipolar (veja acima). O mesmo tipo de variação nas bases genéticas pode ocorrer em diferentes populações para qualquer característica poligênica. Erro tipo 3. ”‚ Uso de uma proteína consistentemente expressa em indivíduos portadores da característica. As proteínas às vezes são usadas como identificadores de genes, porque a forma específica de uma proteína reflete a expressão de um alelo genético particular. Mas a presença de uma proteína significa que o gene já foi

188 PESQUISAS BIOSOCIAIS expressas, de modo a servir como um preditor do desenvolvimento futuro do traço, teria que ser o produto de um modificador de regulação conhecido por afetar a probabilidade de desenvolver o traço, e a montante da determinação do traço, não um modificador de forma (que não afetaria a probabilidade de expressão do traço). Considere um fenótipo de doença, por exemplo. Uma proteína que é consistentemente um sintoma da doença não poderia servir como um marcador preditivo, embora estivesse presente em todos os portadores da doença e pudesse estar ausente em todos os não portadores. As proteínas que são expressas muito cedo no desenvolvimento da característica podem, às vezes, ser marcadores preditivos úteis. Erro tipo 4 ”. Uso de um alelo genético que produz uma proteína associada a uma característica. Por exemplo, tendo descoberto que uma determinada proteína é consistentemente sintomática de uma doença e não está presente em não portadores da doença, pode-se supor erroneamente que a presença do alelo responsável por essa proteína em um indivíduo jovem genotipado seria um bom preditor da desenvolvimento posterior do traço. É importante perceber, entretanto, que os genes podem estar presentes sem nunca serem expressos, como nos gêmeos idênticos não afetados de pacientes bipolares. A presença do alelo seria uma condição necessária, mas não suficiente, para a expressão do traço. Esses tipos de erros são especialmente prováveis ​​de aparecer em frenesi farmacêutico - corridas para encontrar marcadores genéticos que permitem a previsão de doenças e permitem a identificação de processos moleculares a serem atacados por drogas. Discussões fáceis de “biomarcadores de drogas” baseados em proteínas e genes desmentem a complexidade das características e os critérios rigorosos exigidos de marcadores confiáveis. Um artigo sobre pesquisa de câncer na Science (Kaiser, 2004) citou um experiente pesquisador de câncer como argumentando que, embora apenas um punhado de biomarcadores sejam amplamente usados, o sequenciamento do genoma humano e o lançamento de novas máquinas de espectrometria de massa automatizadas para detectar proteínas deixa o campo pronto para novos avanços na busca por biomarcadores. Embora o mapa do genoma humano possa ajudar a localizar genes identificados, por si só não fornece informações sobre a variação genética entre indivíduos e populações do tipo crucial para a pesquisa de biomarcadores, pois cada segmento do mapa é (necessariamente, para fins técnicos razões) com base no genoma de um único indivíduo (Marshall, 1996), massas de dados de proteínas gerados por máquinas automatizadas precisariam ser acompanhadas por massas de dados correlacionados em genótipos polimórficos, fenótipos clinicamente bem definidos, estágios de vida e localizações geográficas de amostras para serem úteis na pesquisa de biomarcadores. A visão pessimista apresentada aqui em relação aos marcadores de um único gene não precisa se aplicar à busca por marcadores genéticos em geral. Mas sugere que a busca deve ser redirecionada, longe de genes únicos

MARY JANE WEST-EBERHARD 189 e talvez em direção a “marcadores coletivos” - conjuntos de alelos genéticos cuja expressão somada aumenta a probabilidade de expressão de um traço de interesse em uma quantidade especificada. Ao primeiro focar cuidadosamente em modificadores genéticos de regulação a montante, que são marcadores preditivos melhores do que modificadores de forma, pode ser possível construir marcadores coletivos que refletem a natureza poligênica de características complexas (ver, por exemplo, Sing et al., 1992, 1995). MARCADORES OU MARKETING? Genes para características tornaram-se grandes dispositivos de publicidade para cientistas ansiosos por reivindicar significância aplicada e obter mais financiamento para suas pesquisas. Uma boa propaganda exige uma linguagem limpa e agradável, então "o gene da obesidade" ou "o gene do alcoolismo" imediatamente substitui o mais preciso "um gene que influencia a obesidade" ou "aumenta a probabilidade de dependência do álcool". O público poderia ser facilmente ensinado, nas salas de aula e na imprensa, a exercitar o bom senso sobre as explicações genéticas e a perceber que muitos genes devem afetar características como obesidade, inteligência e alcoolismo, cujas causas são obviamente complexas. As pessoas parecem preferir explicações simples e a promessa de soluções simples para problemas complexos. Com demasiada frequência, prevalece a ignorância ilusória, e os “genes para traços” tornaram-se elixires modernos que podem transformar a ignorância ilusória em ouro comercial. Meu ícone-marcador favorito ainda é o gene da obesidade, um líder lucrativo no desfile da idade dos genes que seria delicioso em seu absurdo se não tivesse sido tão efetivamente enganoso. Não surpreendentemente, dada a complexidade da obesidade como um traço quantitativo, existem agora pelo menos 10 “genes de obesidade” conhecidos, alguns deles com várias variantes alélicas (Perusse et al., 2005). O primeiro dos vários genes da obesidade foi patenteado às pressas e trouxe milhões de dólares para pesquisas sobre obesidade para a universidade onde foi descoberto. Quando eu estava terminando este capítulo, um novo gene para a obesidade foi anunciado na Science (Herbert et al., 2006) e no Washington Post (17 de abril de 2006, p. A6). A busca por genes de obesidade é potencialmente infinita, dada a grande complexidade do traço e a variação na composição genética de diferentes populações para alelos que influenciam a obesidade (por exemplo, ver Ewbank, 2000, e acima, sobre o gene ApoE). Já ouvi cientistas defenderem a linguagem do gene da obesidade como "apenas uma maneira de falar, pois todos sabem que a obesidade é mais do que um gene." É bastante comum para os cientistas, especialmente os muitos que tentam ser preciso em entrevistas, culpar a linguagem do gene por traço na imprensa, mas isso parece injusto se cientistas eminentes adotam o mesmo tipo de hipérbole genética na mídia científica e pública. Prêmio Nobel David Baltimore (2001), por exemplo, durante a euforia do genoma humano

190 anúncios BIOSOCIAL SURVEYS, escreveu na Nature que "A análise de polimorfismos de nucleotídeo único nos dará o poder de descobrir a base genética de nossas capacidades individuais, como habilidade matemática, memória, coordenação física e até mesmo, talvez, criatividade" e James Watson, outro ganhador do Nobel, proclamou (Associated Press, 2000) que “Agora temos o livro de instruções para a vida humana. . . . ”O projeto do genoma humano foi o projeto de pesquisa genética mais caro da história, um triunfo de financiamento e também científico. É difícil escapar da impressão de que uma das razões para a hipérbole genética é o desejo dos cientistas de chamar a atenção do público para suas pesquisas e, assim, aumentar seu acesso a financiamento, espaço em periódicos de prestígio e sucesso na carreira. Mas o marketing não é a única explicação para o status exagerado dos genes, pois também existe uma ignorância e um mal-entendido genuínos entre os cientistas quanto ao papel dos genes isolados no desenvolvimento e na evolução de características complexas. Além da negligência do papel de desenvolvimento do ambiente e da complexidade da arquitetura genética das características que discuti neste artigo, as características negligenciadas da genética evolutiva também iluminam alguns aspectos da genética humana que de outra forma parecem misteriosos. Por exemplo, assim como genes específicos para traços são difíceis de encontrar, o mesmo ocorre com os genes específicos para humanos, quando o genoma humano é comparado com o de outros primatas (Ridley, 1999). Ambos os fatos são explicáveis ​​pela observação, já mencionada, de que é comum descobrir que fenótipos ancestrais, e os genes subjacentes, foram recombinados durante a evolução em novos conjuntos coexpressos para produzir novos traços fenotípicos. Devido a essa recombinação “desenvolvimental” ou fenotípica (West-Eberhard, 2003), características humanas complexamente distintas, como muitos aspectos da linguagem, poderiam ter evoluído, por meio da expressão gênica reorganizada, com poucos ou mesmo nenhum gene novo. Padrões como esses requerem atenção a organismos inteiros e a comparações entre espécies relacionadas que são cada vez mais raras na biologia e no treinamento de biólogos modernos. Embora as ciências sociais naturalmente busquem orientação na biologia para compreender os genes, na verdade as ciências sociais podem ser capazes de injetar algum sentido nas interpretações genéticas dos biólogos. Cientistas sociais são especialistas em um organismo modelo - o Homo sapiens - que é, sem dúvida, o vertebrado mais bem estudado. Eles estão totalmente cientes da influência ambiental sobre os fenótipos e dos indivíduos como todos integrados. O século atual promete ser uma era empolgante para a pesquisa interdisciplinar, na qual os interesses relativamente holísticos dos cientistas sociais e biólogos de todo o organismo convergirão com os dos geneticistas. A genética está se movendo em direção a estudos genômicos que estão cada vez mais preocupados com a expressão gênica e, portanto, com o desenvolvimento e o fenótipo. Isso significará maior atenção às condições e mecanismos de


Interação entre fatores genéticos e ambientais

O gene (natureza) versus meio ambiente (nutrir) o debate representou uma dicotomia equivocada e polarizadora. Fatores genéticos e ambientais interagem de maneiras complexas 37, mas existem dois tipos principais de violações da independência do gene & # x02013ambiente: interação gene & # x000d7 com o ambiente e correlação do gene & # x000d7 com o ambiente.

Correlação de ambiente de gene e # x000d7 (rGE) ocorre quando o genótipo se correlaciona (r) com a probabilidade de exposição a um fator ambiental. Estudos de gêmeos podem abordar a existência de rGE medindo a & # x0201cgenética do ambiente. & # X0201d Um exemplo baseado em gene de rGE é o efeito de CHRNA5 Asn398 para aumentar o risco de câncer de pulmão. 38 Esse alelo funcional está associado ao tabagismo pesado, levando a uma maior exposição a carcinógenos.

Interação gene x ambiente (G & # x000d7 E) ocorre quando o efeito da exposição ambiental em um resultado é modificado pelo genótipo (para revisão, ver Ref. 39). Os estressores que ocorrem no início da vida, como adversidades na infância, são fatores de risco bem conhecidos para dependência e comorbidades, incluindo transtorno de personalidade anti-social (ASPD), DC, transtorno de personalidade limítrofe e transtornos de ansiedade. No entanto, nem todas as pessoas expostas ao trauma precoce desenvolvem psicopatologia, indicando diferenças na resiliência. Os loci funcionais que contribuem para as diferenças interindividuais na resiliência ao estresse incluem monoamina oxidase A (MAOA), 40 o transportador de serotonina (SLC6A4), 41 COMT, 42 o gene do receptor 1 do hormônio liberador de corticotrofina, neuropeptídeo Y, 43 FKBP5, 44 o gene do receptor de glucocorti coid (GR) (NR3C1), 45 e o gene do tipo de receptor de ativação de adenilato ciclase polipeptídeo 1 (pituitária) (ADCYAP1R1). 46

Fenótipos intermediários

Uma estratégia para descobrir os efeitos dos genes em doenças etiologicamente complexas, como o vício, é a desconstrução de fenótipos em elementos que são etiologicamente menos complexos. Fenótipos intermediários acessam mecanismos de mediação de influências genéticas e ambientais. Os fenótipos intermediários hereditários associados a doenças são denominados endofenótipos. 47

O rubor induzido por álcool é um endofenótipo protetor relacionado ao álcool influenciado por alelos que medeiam a variação no metabolismo do álcool. A baixa resposta ao álcool é um endofenótipo preditivo de risco de alcoolismo. 48 & # x0201350 Em humanos, o nível de resposta deve-se principalmente à variação farmacodinâmica na resposta 51, e não à variação no metabolismo. A baixa resposta ao álcool foi associada à variação genética no gene transportador de serotonina (SLC6A4) e no gene que codifica a subunidade a6 do receptor A de ácido aminobutírico & # x003b3 (GABRA6) 52 Outros fenótipos intermediários relevantes para o vício incluem medidas eletrofisiológicas, neuropsicológicas, neuroendocrinológicas e, mais recentemente, de neuroimagem. A neuroimagem acessa os mecanismos neuronais subjacentes à emoção, recompensa e desejo e, portanto, permitiu a ligação de genes a redes neuronais relevantes para o vício (para revisão, ver Ref. 53). Por exemplo, a ativação da amígdala após a exposição a imagens emocionais e estímulos estressantes captura diferenças interindividuais na resposta emocional. 54 Conforme discutido no texto a seguir, a ativação da amígdala é influenciada por SLC6A4 e MAOA. Por outro lado, a ativação induzida por tarefa do córtex pré-frontal acessa a função cognitiva pré-frontal que está prejudicada em várias doenças psiquiátricas, incluindo vícios e tem sido associada à variação genética dentro COMT e MAOA. A ativação do estriado ventral e de outras áreas do cérebro durante a recompensa positiva permite a exploração dos circuitos de recompensa 55, permitindo a observação de que o OPRM1 Asn398Asp a variante associada à resposta alterada ao tratamento com naltrexona também modula os processos de recompensa no estriado ventral. 56 Os tamanhos de efeito das variantes genéticas nos fenótipos intermediários parecem ser maiores do que os efeitos nos fenótipos de doenças complexas, refletindo potencialmente a proximidade da ação do gene, propriedades de medição e especificidade. 43.57

Identificação Genética

O gene candidato e as análises de todo o genoma estão cada vez mais integradas para identificar variações genéticas que influenciam o vício. No primeiro, genes que influenciam a patogênese ou o tratamento de vícios são selecionados, por exemplo, com base em descobertas em estudos farmacocomportamentais e genéticos em animais ou com base no que se sabe sobre a farmacocinética e a farmacodinâmica da droga. Em estudos de todo o genoma, o genoma é interrogado de uma forma livre de hipóteses.

Genes candidatos

Genes que metabolizam o álcool: ADH1B e ALDH2

Polimorfismos nos genes que codificam para as enzimas que metabolizam o álcool, como a álcool desidrogenase IB (ADH1B) e a aldeído desidrogenase 2 (ALDH2) influenciam o consumo de álcool e o risco de transtornos por uso de álcool. ADH1B e ALDH2 catalisam etapas consecutivas no metabolismo do álcool. Em adultos, essas enzimas desempenham um papel importante, embora várias outras enzimas também catalisem essas etapas metabólicas, incluindo catalase, citocromo P450 e outras enzimas nas famílias de genes ADH e ALDH. O ADH oxida o etanol em acetaldeído, que é então convertido em acetato por ALDH. O acetaldeído é tóxico e aduto tanto com proteínas quanto com DNA. Tanto o acetaldeído quanto o álcool são reconhecidos como mutagênicos. O acetaldeído é um potente liberador de histamina e, portanto, desencadeia o rubor, uma reação aversiva caracterizada por dor de cabeça, náuseas, palpitações e rubor da pele. Normalmente, o acetaldeído é rapidamente convertido em acetato e os níveis de acetaldeído são muito baixos, mesmo após a ingestão de álcool. No entanto, se a aldeído desidrogenase for bloqueada por dissulfiram (um medicamento usado para ajudar os alcoólatras a manter a abstinência), então ocorre rubor após a ingestão de pequenas quantidades de álcool. O acúmulo de acetaldeído pode levar ao aumento do risco de câncer gastrointestinal superior (GI), e o risco de câncer é muito aumentado pelo bloqueio farmacológico da aldeído desidrogenase ou variação genética natural. 58 Conforme mostrado na Fig. 6, existem duas variantes enzimáticas comuns de ADH1B e ALDH2 que levam ao rubor induzido por álcool, que são protetoras contra o alcoolismo e que desempenham um papel no risco de câncer do trato gastrointestinal superior associado ao consumo de álcool (Fig. . 7).

Polimorfismos funcionais no metabolismo do etanol: ADH1B His48Arg e ALDH2 Glu487Lys. Maior atividade de ADH1B, conferido por Arg48, ou menor atividade de ALDH2, conferido por Lys487, leva ao acúmulo de acetaldeído após o consumo de álcool e a reação de lavagem.

Distribuições geográficas de ALDH2 Lys487 e câncer de esôfago. o Lys487 alelo é altamente abundante no sudeste da Ásia, mas virtualmente ausente em europeus, africanos e ameríndios. O sudeste da Ásia também é um hotspot epidemiológico para câncer de esôfago, consistente com estudos epidemiológicos genéticos que conectaram o risco de câncer de esôfago ao consumo moderado de álcool em portadores de Lys487 alelo. O acetaldeído é um carcinógeno. 58 (Adaptado de Li H, Borinskaya S, Yoshimura K, et al. Distribuição geográfica refinada da variante oriental ALDH2 * 504Lys (nee 487Lys). Ann Hum Genet 200973 (Pt 3): 335 & # x0201345 com permissão.)

No ADH1B His48Arg locus (rs1229984), o His48 alelo leva diretamente ao aumento da eficiência catalítica de ADH1B. Na verdade, a taxa de oxidação do etanol a acetaldeído é aumentada 100 vezes em His48 / His48 homozigotos em comparação com Arg48 / Arg48 homozigotos. No ALDH2 Glu487Lys locus (rs671), o Lys487 alelo predominantemente inativa ALDH2. A atividade ADH1B mais alta ou a atividade ALDH2 mais baixa levam ao acúmulo de acetaldeído e rubor após o consumo de pequenas quantidades de álcool. Em populações do Leste Asiático em que ambos His48 e Lys487 são altamente abundantes, e em populações judaicas nas quais His48 é abundante, muitos indivíduos carregam genótipos protetores contra o alcoolismo. Recentemente, o efeito protetor do His48 ADH1B variante da dependência do álcool também foi demonstrada em populações europeias e africanas. 59 Acompanhando a conexão do acetaldeído à mutação, ambos os ADH1B e ALDH2 alelos de rubor foram associados a risco aumentado de câncer de orofaringe e esôfago. 58 Como visto na Fig. 7, as taxas de câncer gastrointestinal superior são maiores em partes do mundo onde o ALDH2 Lys487 alelo é abundante.

o ADH1B e ALDH2 polimorfismos são antigos, ocorrendo em haplótipos característicos e altamente divergentes. É improvável que qualquer uma das variantes genéricas tenha sido selecionada com alta frequência para reduzir a probabilidade de alcoolismo após a introdução de álcool nessas populações, o que provavelmente ocorreu bem após a disseminação dos polimorfismos. Foi hipotetizado que Arg48 e / ou Lys487 foram selecionados para altas frequências em populações do Leste Asiático porque alteram a suscetibilidade a infecções por protozoários do intestino, incluindo amebíase. 60 Essas infecções às vezes são tratadas com metronidazol, que inibe potentemente a aldeído desidrogenase. 60

Monoaminas moderadoras de genes

Monoaminas incluindo serotonina (5-hidroxitriptamina, 5-HT), norepinefrina (NE) e dopamina (DA) são moduladores de emocionalidade, cognição e recompensa. Portanto, não é surpreendente que os genes que regulam monoaminas, como catecol-O-metilrans-ferase (COMT) e o transportador de serotonina (SLC6A4) foram implicados na vulnerabilidade a várias doenças psiquiátricas, incluindo vícios.

COMT metaboliza dopamina e norepinefrina e outros catecóis. COMT desempenha um papel importante na regulação da dopamina no córtex pré-frontal, onde o transportador de dopamina é menos expresso. 61,62 COMT camundongos knockout aumentaram os níveis de dopamina nessa região do cérebro. 63,64 o COMT gene tem dois promotores que controlam a transcrição de dois mRNAs diferentes e codificam uma proteína citoplasmática solúvel (S-COMT) e uma forma ligada à membrana (MB-COMT) que & # x02014 em humanos & # x02014 tem 50 resíduos de aminoácidos adicionais no N- terminus. A S-COMT predomina na maioria dos tecidos, sendo responsável por 95% da atividade total da COMT. 65 No cérebro, onde a atividade do MB-COMT é muito maior, 66 essa enzima está localizada no corpo celular, axônios e dendritos dos neurônios corticais. 67 Val158Met é uma substituição de nucleotídeo único funcional comum de COMT, 68 substituindo metionina por valina no códon 158 de MB-COMT e no códon 108 de S-COMT. Por meio de seu efeito na estabilidade da enzima 69,70 o Met158 alelo é três a quatro vezes menos ativo. 71 Por causa de sua atividade superior, o Val158 alelo foi previsto para diminuir o nível de dopamina no córtex frontal. Congruente com esta hipótese, o Val158 alelo tem sido associado à função ineficiente do lobo frontal avaliada com diferentes metodologias psicológicas e de neuroimagem. 72 & # x0201374 Além disso, em um estudo farmacogenético, o inibidor da COMT tolcapone melhorou a função executiva em val/val homozigotos, mas não em indivíduos homozigotos para o conheceu alelo, indicando que esta droga pode corrigir a maior atividade da COMT, e conseqüente menor nível de dopamina, de Val operadoras. 75 Por outro lado, Met158, embora associado a melhor desempenho cognitivo, está associado à diminuição da resiliência ao estresse e aumento da ansiedade. Este alelo tem sido associado ao aumento da ansiedade em mulheres, 76 o que pode ser explicado porque COMT os promotores são regulados negativamente pelos estrogênios. 77 o Conheceu alelo também foi associado com aumento da resposta ao estresse e dor e um limiar de dor mais baixo 42,78 e com aumento da reatividade da amígdala a estímulos desagradáveis. 79 Resultados de estudos que exploram a associação entre COMT e o vício se misturam. Alguns estudos não conseguiram encontrar evidências de associações 80, alguns indicam Val158 como os alelos de risco e outros indicam o Met158 alelos como o alelo de risco. o Val158 alelo foi encontrado em excesso entre os viciados em metanfetamina, nicotina e polissubstâncias. 80 & # x0201382 Por outro lado, em populações viciadas com altas frequências de transtornos internalizantes, como alcoólatras de início tardio na Finlândia 83 e bebedores sociais finlandeses, 84 o risco aumentado parecia ser conferido pelos Met158 alelo.

SLC6A4

O transportador de serotonina (SLC6A4) regula os níveis sinápticos de serotonina, um neurotransmissor envolvido na regulação do humor, apetite e controle dos impulsos. Refletindo essas diversas ações, os inibidores de recaptação específicos da serotonina são a categoria de medicamentos mais comumente prescrita para doenças mentais. O gene transportador de serotonina SLC6A4 tem uma repetição tandem de número variável comum (VNTR) em sua região promotora (HTTLPR) (Fig. 8) que é o locus mais frequentemente estudado na genética psiquiátrica.

A região polimórfica ligada ao transportador de serotonina. O promotor do transportador de serotonina humana tem um VNTR comum denominado HTTLPR. Os principais alelos neste VNTR, a sabereu (longo) e S (curto), diferem no número de cópias de uma repetição imperfeita de 20 bpto 23 bp. o eu alelo, que leva ao aumento da eficiência da transcrição, tem 16 cópias da repetição e a S allele tem 14 cópias. Além disso, um SNP funcional A & # x0003e G relativamente comum dentro do eu alelo leva a um LG alelo funcionalmente equivalente ao S alelo. (Dados de Lesch KP, Bengel D, Heils A, et al. Associação de traços relacionados à ansiedade com um polimorfismo na região reguladora do gene transportador de serotonina. Science 1996274 (5292): 1527-31 e Hu XZ, Lipsky RH, Zhu G, et al. Os genótipos de ganho de função do promotor do transportador de serotonina estão ligados ao transtorno obsessivo-compulsivo. Am J Hum Genet 200678 (5): 815 & # x0201326.)

Os principais alelos dentro deste VNTR diferem no número de cópias de uma sequência repetida imperfeita de 20 a 23 bp. o eu alelo, que leva ao aumento da eficiência transcricional, tem 16 cópias da repetição e a S allele tem 14 cópias. 85 Além disso, há um polimorfismo de nucleotídeo único (SNP) funcional A & # x0003e G relativamente comum dentro do eu alelo, 86 o euG alelo sendo equivalente ao S alelo na eficiência transcricional. 86 Apoiando ainda mais o efeito funcional de HTTLPR, este locus demonstrou regular a expressão do transportador de serotonina no cérebro post-mortem 87 e in vivo usando imagens de tomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT) 88, embora não em todos os estudos. 89 Baixa transcrição HTTLPR genótipos têm sido associados de forma inconsistente com ansiedade, depressão e alcoolismo. No entanto, os efeitos desse locus no comportamento complexo parecem mais fortes se a exposição ambiental também for considerada. HTTLPR moderou o impacto de eventos de vida estressantes sobre o risco de depressão e comportamento suicida. 90 portadoras de baixa transcrição S alelo exibiu mais depressão e suicídio após eventos estressantes da vida do que eu indivíduos com duas cópias do alelo. 90 Embora uma meta-análise falhou em apoiar esta interação G & # x000d7 E, 91 outras metanálises têm, e várias linhas de evidência apoiam um papel para HTTLPR regulação da emoção e resposta ao estresse. Em particular, HTTLPR demonstrou influenciar a atividade da amígdala, uma região do cérebro que regula a resposta emocional às mudanças ambientais e que está envolvida na patogênese da depressão e da ansiedade.Tanto os adultos 41 quanto as crianças 92 carregando o alelo s de baixa atividade exibiram aumento da reatividade da amígdala a estímulos de medo, redução do volume da amígdala 93 e acoplamento funcional aprimorado entre a amígdala e o córtex pré-frontal ventro medial, 94 uma região do cérebro que normalmente reprime a ativação da amígdala. Além disso, HTTLPR parece prever a liberação de cortisol induzida por estresse. 95 HTT interações gene & # x000d7 com o ambiente também foram observadas em modelos animais. O macaco rhesus tem um polimorfismo ortólogo (rh-5HTTLPR) na região promotora do gene transportador de serotonina. Nestes animais, a exposição ao estresse no início da vida levou a um comportamento descontrolado e aumentou a resposta ao estresse mais tarde na vida (para revisão, ver Ref. 96). Consistente com descobertas em humanos, rh-5HTTLPR influenciou o consumo de álcool e a resposta ao estresse, dependendo das condições de criação. Os portadores do genótipo do transportador de serotonina de baixa expressão que foram separados de suas mães em uma idade precoce exibiram maior reatividade ao estresse e preferência pelo etanol. 97 Da mesma forma que os humanos, 95 o efeito combinado de rh-HTTLPR e o ambiente na reatividade ao estresse parecia ser mediado pelo eixo hipotálamo-pituitária-adrenal (HPA).


ALGUNS PENSAMENTOS PESSOAIS E AGRADECIMENTOS

Muitas pessoas contribuíram para minha carreira científica, e eu gostaria de expressar gratidão aos meus pais, que não vivem mais, por seus sacrifícios pessoais que possibilitaram minha educação para minha esposa, Toby, e filhos, Rob, Jennifer e David, por seu amor Apoio, suporte (Figura 6) a Vernon Ingram e Norman Salzman (ambos falecidos) por encorajar minha independência como investigador aos muitos alunos talentosos e enérgicos, pós-doutorados e equipe de laboratório (Figura 7), alguns dos quais montaram seus próprios laboratórios para continuar a pesquisa de poxvírus para a congenialidade da comunidade de pesquisa de poxvírus com meus maravilhosos colegas do Laboratório de Doenças Virais do Instituto Nacional de Alergia e Doenças Infecciosas, programa intramural para fornecer um ambiente extraordinário para pesquisa básica movida a curiosidade e, por último, deslocamento para o trabalho de bicicleta e caiaque frequente (Figura 8), que me mantêm em boa forma física e de bom humor.


Assista o vídeo: INTRODUÇÃO À GENÉTICA. Prof. Paulo Jubilut (Agosto 2022).