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Tecnicas de genética molecular Identificação, amplificação e clonagem de genes - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Tecnologias de DNA recombinante e a reação da cadeia de polimerase tornaram possível a amplificação de sequências específicas de DNA. - No passado, a síntese de proteínas humanas em células estranhas parecia ficção científica. Hoje a produção de proteínas humanas é rotineira em bactérias ou células eucarióticas em cultura. Clonagem de DNA Cada um dos componentes do gene precisa ser isolado e amplificado de modo a proporcionar material suficiente com que se trabalhar. Os componentes, então, precisam ser unidos precisamente, a fim de que seja elaborado o construto molecular desejado, o qual, por sua vez, precisa ser amplificado e, posteriormente, expresso em células vivas para gerar o produto final desejado. A capacidade de amplificar sequências específicas de DNA (genes, elementos reguladores, etc.) é crucial para o sucesso de tal projeto. Chamamos a amplificação de uma sequência específica de DNA de clonagem de DNA. O processo de clonagem replica o DNA diversas vezes para gerar um número enorme de cópias idênticas. O procedimento de clonagem envolve duas etapas distintas: (1) a incorporação do DNA de interesse em um plasmídio ou no cromossomo de um fago e (2) a amplificação da molécula resultante pela replicação em uma célula viva. A 1ª etapa é a união in vitro de duas ou mais moléculas diferentes de DNA para produzir uma molécula de DNA recombinante. A 2ª etapa é o verdadeiro processo de clonagem, no qual a molécula de DNA recombinante é replicada in vivo a fim de produzir diversas cópias idênticas. O plasmídio ou o cromossomo do fago usado nesse procedimento de clonagem é chamado de vetor de clonagem, uma vez que carreia a sequência de DNA inserida. Com frequência, o DNA inserido é chamado “DNA estrangeiro”, porque não é naturalmente encontrado no vetor de clonagem. Outro método para clonagem de uma sequência de DNA é a utilização de uma classe especial de DNA polimerases a fim de replicar a sequencia in vitro. A cada ciclo de replicação, a quantidade de DNA dobra. Esse procedimento, chamado reação da cadeia de polimerase (PCR), tornou-se uma ferramenta poderosa na clonagem de DNA. No entanto, só é possível usar a PCR quando se 1 Maria Eduarda Santiago Nascimento conhecem as sequências nucleotídicas que flanqueiam o gene ou a sequência de DNA de interesse. Endonucleases de restrição A capacidade de criar DNA recombinante tornou-se possível por meio da descoberta de uma classe especial de enzimas chamadas endonucleases de restrição. Muitas endonucleases fazem cortes aleatórios no DNA, mas as endonucleases de restrição são sítio-específicas, e as enzimas de restrição do tipo 11 clivam as moléculas de DNA apenas em sequências nucleotídicas específicas conhecidas como sítios de restrição. - Diferentes enzimas de restrição são produzidas por diferentes microrganismos e reconhecem diferentes sequências nucleotídicas no DNA. - Centenas de enzimas de restrição foram caracterizadas e purificadas; assim, existem endonucleases de restrição que clivam moléculas de DNA em muitas sequências de DNA diferentes. Todos os locais de clivagem no DNA de um organismo têm de ser protegidos da clivagem pelas endonucleases de restrição do próprio organismo; caso contrário, o organismo cometeria suicídio por degradação do próprio DNA. Em muitos casos, essa proteção de locais de clivagem endógenos é efetuada por metilação de um ou mais nucleotídeos em cada sequência nucleotídica reconhecida pela endonuclease de restrição do próprio organismo. A metilação é catalisada por metilases sítio-específicas produzidas pelo organismo e ocorre imediatamente após a replicação do DNA. - Cada endonucleases de restrição cliva uma molécula de DNA estranha em um número fixo de fragmentos, que depende do número de locais de restrição na molécula de DNA específica. - Características das endonucleases Geralmente reconhecem sequências de DNA que são palíndromos (AND MADAM DNA); Possuem a capacidade de fazer cortes escalonados; ou seja, clivam os dois filamentos de uma dupla-hélice em diferentes pontos. Como todos os fragmentos de DNA produzidos têm terminações unifilamentares complementares, eles se unem por pontes de hidrogênio e podem ser reunidos em condições apropriadas de renaturação pelo uso da enzima DNA ligase para reconstruir as ligações fosfodiéster faltantes em cada filamento. Assim, as moléculas de DNA podem ser cortadas em fragmentos, conhecidos como fragmentos de restrição, que podem ser reunidos pela DNA ligase, de modo quase arbitrário. - A endonuclease de restrição catalisa a clivagem de uma sequência específica de pares de nucleotídeos seja qual for a origem do DNA. Ela cliva DNA desde que ele contenha a sequência nucleotídica reconhecida por ela. Amplificação de moléculas de DNA recombinantes em vetores de clonagem Para serem úteis, as moléculas de DNA recombinante precisam ser amplificadas por replicação em células vivas. Assim, a capacidade de replicar-se é uma característica essencial de todos os vetores de clonagem utilizados para criar moléculas recombinantes. A maioria dos vetores de clonagem usados habitualmente é derivada de cromossomos de plasmídios ou bacteriófagos. 2 Maria Eduarda Santiago Nascimento O vetor de colagem tem três componentes essenciais: (1) uma origem de replicação, (2) um gene marcador selecionável dominante, geralmente um gene que confere resistência a fármacos à célula hospedeira e (3) pelo menos um local de clivagem único para endonuclease de restrição - um local de clivagem encontrado só uma vez em uma região do vetor que não interfere nem na origem de replicação nem no gene marcador selecionável. Os vetores de clonagem modernos contêm um grupo de locais de restrição específicos denominados polylinker, ou sítio de clonagem múltipla. Fator limitante —> cosmídios —> fagomídios —> cromossomos artificiais de levedura (YAC) — > BAC —> PAC Página 525 Bluescript Clonagem de grandes genes e segmentos de genoma em BAC, PAC e YAC Os vetores PAC e BAC foram modificados para produzir vetores shuttle ou de transferência que se replicam em células de mamíferos, também. - O gene sacB torna possível a seleção positiva de células que contêm vetores com insertos. Amplificação das sequências de DNA pela reação da cadeia de polimerase (PCR) - A disponibilidade das sequências nucleotídicas completas ou quase completas de muitos genomas - inclusive o humano - no GenBank e em outros bancos de dados possibilita que os pesquisadores isolem genes ou outras sequências de DNA de interesse sem usar vetores de clonagem ou células hospedeiras. A amplificação da sequência de DNA é realizada totalmente in vitro, e a sequência pode ser amplificada um milhão de vezes ou mais em apenas algumas horas. O uso desse procedimento requer apenas o conhecimento de sequências nucleotídicas curtas que flanqueiam a sequência de interesse. Essa amplificação in vitro de genes e outras sequências de DNA é efetuada pela reação de cadeia de polimerase (PCR). Na PCR, oligonucleotídeos sintéticos complementares a sequências conhecidas indicam a amplificação enzimática da sequência de DNA entre elas. A PCR tem três etapas, cada uma delas repetida muitas vezes. Na 1ª etapa, o DNA genômico que contém a sequência a ser amplificada é desnaturado por aquecimento à temperatura de 92ºC a 95ºC por cerca de 15 segundos. Na 2ª etapa, permitem-se que o DNA desnaturado pareie com um excesso dos iniciadores oligonucleotídeos sintéticos mediante incubação de ambos a 50ºC a 60ºC por 30 a 60 segundos. Esse processo é chamado anelamento(fortalecimento de uma substância aquecida por meio do seu resfriamento). - A temperatura ideal de anelamento depende da composição de bases do iniciador. Na 3ª etapa, a DNA polimerase é usada para replicar o segmento de DNA entre os locais complementares aos iniciadores oligonucleotídicos. O iniciador oferece a 3’-OH livre necessária para extensão covalente, e o DNA genômico desnaturado desempenha a função de molde necessária. A polimerização geralmente é realizada de 70ºC a 72ºC durante 1 a 3 minutos. Os produtos do primeiro ciclo de replicação são desnaturados, pareados com iniciadores oligonucleotídicos e replicados novamente com a DNA polimerase. O procedimento é repetido muitas vezes até que seja alcançado o nível desejado de amplificação. 3 Maria Eduarda Santiago Nascimento - A amplificação ocorre de maneira geométrica. Uma dupla-hélice de DNA produz 2 duplas-hélices depois de um ciclo de replicação, 4 depois de dois ciclos, 8 depois de três ciclos, 16 depois de quatro ciclos, 1.024 depois de dez ciclos, e assim por diante. - Depois de 30 ciclos de amplificação, haverá mais de um bilhão de cópias da sequência de DNA. - A princípio, a PCR usava como replicase a DNA polimerase I. Como essa enzima é inativada pelo calor durante a etapa de desnaturação, era preciso acrescentar mais enzima na 3ª etapa de cada ciclo. - A descoberta da DNA polimerase termoestável na bactéria termofílica Thermus aquaticus significou um grande avanço na amplificação do DNA por PCR. Essa polimerase, conhecida como Taq polimerase, conserva a atividade durante a etapa de desnaturação por calor. Desse modo, não é preciso acrescentar polimerase depois de cada ciclo de desnaturação. Em vez disso, pode-se acrescentar Taq polimerase e iniciadores oligonucleotídicos em excesso no início do processo de PCR, e os ciclos de amplificação podem ser realizados por alterações sequenciais da temperatura. Uma desvantagem da PCR é a introdução de erros nas cópias de DNA amplificadas em frequências baixas, mas significativas. Ao contrário da maioria das DNA polimerases, a Taq polimerase não tem atividade intrínseca de revisão 3’—>5’ e, por isso, acarreta uma frequência maior que a normal de erros de replicação. - Quando há necessidade de alta fidelidade, empregam-se PCR polimerases termoestáveis - como Pfu ou Tli - dotadas de atividade de revisão 3’—>5’. Outra desvantagem da Taq polimerase é a ineficiência na amplificação de longos trechos de DNA - mais de alguns milhares de pares de nucleotídeos. - Quando é necessário amplificar longos segmentos de DNA, substitui-se a Taq polimerase por Tfl polimerase de Thermus flavus, que é mais processiva. As tecnologias de PCR são “atalhos” para muitas aplicações que necessitam de grande quantidade de uma sequência de DNA específica. Esses procedimentos permitem que os cientistas obtenham dados estruturais definitivos sobre genes e sequências de DNA quando há pouco DNA. Uma aplicação importante é no diagnóstico de doenças humanas hereditárias, sobretudo em casos de diagnóstico pré-natal, nos quais o DNA fetal disponível é limitado. Uma segunda aplicação importante ocorre em casos forenses de identificação de pessoas pelo DNA isolado de amostras muito pequenas de tecido. Poucos critérios oferecem dados mais definitivos sobre a identidade que as sequências de DNA. - Graças à amplificação por PCR, é possível identificar as sequências de DNA em diminutas quantidades de DNA isoladas de algumas gotas de sangue, sêmen ou até mesmo fios de cabelo humanos. Assim, a PCR do perfil de DNA (análise da impressão digital do DNA) tem papel importante nos casos jurídicos em que há dúvida sobre a identidade de uma pessoa. 4 Maria Eduarda Santiago Nascimento Construção e rastreamento das bibliotecas de DNA - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - É possível criar bibliotecas de DNA e procurar genes e outras sequências de interesse. Página 530 Análise molecular de DNA, RNA e proteínas - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - As moléculas de DNA, RNA ou proteína podem ser separadas de acordo com o tamanho por meio eletroforese em gel, transferidas para membranas e analisadas por vários procedimentos. O desenvolvimento das técnicas de recombinação do DNA fez surgir muitas novas técnicas de análise de genes e produtos gênicos. A eletroforese em gel é uma ferramenta útil para a separação de macromoléculas de diferentes tamanhos e cargas elétricas. O termo eletroforese provém da palavra grega para “carregar”. É usado porque uma força elétrica carreia as moléculas através de um material semissólido, o gel. As moléculas de DNA têm uma carga elétrica praticamente constante por unidade de massa; assim, elas se separam em géis de agarose (um carboidrato derivado de algas) ou de acrilamida (um polímero sintético) de acordo com o tamanho ou a conformação. Os géis de agarose ou acrilamida atuam como “peneiras moleculares” e retardam mais a passagem das moléculas grandes que das moléculas pequenas. Os géis de agarose são peneiras melhores para as moléculas grandes. - Separação de fragmentos de restrição do DNA por eletroforese em gel de agarose. As moléculas de DNA com carga elétrica negativa movem-se pelo gel em direção ao eletrodo positivo da câmara de eletroforese. Os princípios dos procedimentos usados para separar moléculas de RNA e proteínas são basicamente iguais, mas empregam técnicas um pouco diferentes em razão das propriedades específicas de cada classe de macromolécula. Southern Blots - Procedimento que possibilitou aos pesquisadores identificar a localização dos genes e de outras sequências de DNA em fragmentos de restrição separados por eletroforese em gel. A característica essencial dessa técnica é a transferência de moléculas de DNA separadas por eletroforese em gel para membranas de nitrocelulose ou náilon. O DNA é desnaturado antes da transferência ou durante a transferência pela colocação do gel em solução alcalina. Depois da transferência, o DNA é imobilizado sobre a membrana por secagem ou irradiação UV. Uma sonda só será hibridizada por moléculas de DNA que contenham 5 Maria Eduarda Santiago Nascimento uma sequência nucleotídica complementar à sequência da sonda. Em seguida, a membrana é lavada para retirada da sonda não hibridizada e exposta ao filme radiográfico para detectar a radioatividade. Depois do filme revelado, as faixas escuras mostram as posições das sequências de DNA hibridizadas com a sonda. Northern Blots Os blots de RNA são denominados Northern Blots em reconhecimento ao fato de que o método é análogo à técnica de Southern Blotting, mas as moléculas de RNA é que são separadas e transferidas para uma membrana. O método Northern Blot é praticamente idêntico ao uso nas transferências por Southern Blot. As moléculas de RNA, porém, são muito sensíveis à degradação por RNases. Assim, é preciso ter cuidado para evitar a contaminação dos materiais por essas enzimas extremamente estáveis. Além disso, a maioria das moléculas de RNA contém estrutura secundária considerável e, portanto, tem de ser mantida desnaturada durante a eletroforese para separação de acordo com o tamanho. A desnaturação é feita por acréscimo de formaldeído, ou de alguma outra substância química desnaturante, ao tampão usado na eletroforese. Depois da transferência para membrana apropriada, o blot de RNA é hibridizado em sondas de RNA ou DNA do mesmo modo que no Southern Blot. As hibridizações por Northern Blot são muito úteis em estudos da expressão gênica. Podem ser usadas para determinar quando e onde é expresso determinado gene. No entanto, é preciso lembrar que as hibridizações por Northern Blot só medem o acúmulo de transcritos de RNA. Elas não explicam o porquê do acúmuloobservado. - Alterações nos níveis de transcritos podem ser acusadas por alterações na taxa de transcrição ou na taxa de degradação do transcrito. É imprescindível usar métodos mais sofisticados para distinguir entre essas possibilidades. Análise de RNA por PCR com transcriptase reversa (RT-PCR) A enzima transcriptase reversa catalisa a síntese de filamentos de DNA complementares aos moldes de RNA. Pode ser usada in vitro para sintetizar filamentos de DNA complementares aos filamentos-molde de RNA. Então, os filamentos de DNA produzidos podem ser convertidos em DNA bifilamentar por vários métodos diferentes, entre eles o uso de um segundo iniciador e da Taq polimerase termoestável. Depois, as moléculas de DNA produzidas podem ser amplificadas por PCR padrão. O primeiro filamento de DNA, geralmente denominado cDNA porque é complementar ao mRNA em estudo, pode ser sintetizado usando-se em iniciador oligo(dT), que causa o anelamento das caudas 3’-poli(A) de todos os mRNA, ou iniciadores específicos para o gene (sequências complementares à molécula de RNA de interesse). Em geral, os iniciadores oligonucleotídicos específicos para o gene são escolhidos para parear com sequências nas regiões não codificadoras 3’ do mRNA. - Os produtos dessas amplificações são analisados por eletroforese em gel. Sempre que surge um produto no gel, o pesquisador sabe que a amostra a partir da qual foi gerado continha o mRNA estudado. 6 Maria Eduarda Santiago Nascimento Portanto, esse método é um recurso rápido e fácil para determinar se está ou não havendo transcrição de determinado gene. Análise de proteínas por técnicas Western Blot A eletroforese em gel de poliacrilamida é um importante método de separação e caracterização de proteínas. Como muitas proteínas funcionais são formadas por duas ou mais subunidades, os polipeptídeos são separados por eletroforese na presença do detergente dodecil sulfato de sódio (SDS), que desnatura as proteínas. Depois da eletroforese, as proteínas são detectadas por coloração com azul de Coomassie ou prata. No entanto, também é possível transferir os polipeptídeos separados do gel para uma membrana de nitrocelulose e detectar proteínas pela aplicação de anticorpos específicos. Essa transferência de proteínas do gel de acrilamida para membrana de nitrocelulose, conhecida como Western Blotting, emprega corrente elétrica para transferir as proteínas do gel para a superfície da membrana. Depois da transferência, identifica-se uma proteína específica de interesse colocando-se a membrana com as proteínas imobilizadas em solução que contém um anticorpo contra a proteína. Os anticorpos não ligados são eliminados da membrana por lavagem, e o anticorpo inicial (primário) é detectado ao se colocar a membrana em solução que contém um anticorpo secundário. Esse anticorpo secundário reage com imunoglobulinas (o grupo de proteínas que constituem todos os anticorpos) em geral. O anticorpo secundário é conjugado a um isótopo radioativo (permitindo a autorradiografia) ou a uma enzima que cria um produto visível quando se acrescenta o substrato apropriado. Análise molecular de genes e cromossomos - - - Os locais nos quais as enzimas de restrição clivam moléculas de DNA podem ser usados para mapas físicos das moléculas; no entanto, as sequências nucleotídicas apresentam o mapa físico final das moléculas de DNA. As técnicas de recombinação de DNA possibilitam que os geneticistas determinem a estrutura dos genes, cromossomos e de todo o genoma. Na verdade, os geneticistas moleculares elaboraram mapas genéticos e físicos detalhados dos genomas de muitos organismos. O mapa físico definitivo de um elemento genético é sua sequência nucleotídica, e já se determinaram as sequências nucleotídicas completas dos genomas de milhares de vírus, bactérias, mitocôndrias, cloroplastos e vários organismos eucarióticos. Mapas físicos de moléculas de DNA baseados em locais de clivagem por enzima de restrição A maioria das endonucleases de restrição cliva moléculas de DNA em locais específicos. Logo, elas podem ser usadas para criar mapas físicos dos cromossomos mais úteis para os pesquisadores no isolamento de fragmentos de DNA que tenham os genes ou outras sequências de DNA de interesse. Os tamanhos dos fragmentos de restrição podem ser determinados por eletroforese em gel de poliacrilamida ou agarose. Em virtude da estrutura de subunidades nucleotídicas do DNA, com um grupo fosfato por nucleotídeo, O DNA tem carga praticamente constante por 7 Maria Eduarda Santiago Nascimento unidade de massa. Assim, as taxas de migração de fragmentos de DNA durante a eletroforese oferecem estimativas acuradas de seus comprimentos, e a taxa de migração é inversamente relacionada ao comprimento. - Os tamanhos dos fragmentos de restrição de DNA são estimados usando-se um conjunto de marcadores de DNA de tamanho conhecido. Ampliando esse tipo de análise para incluir várias enzimas de restrição diferentes, é possível construir mapas mais extensos de locais de restrição. Quando são empregadas muitas enzimas de restrição, é possível construir mapas detalhados de cromossomos inteiros. Um aspecto importante desses mapas de restrição é que, ao contrário dos mapas genéticos, eles refletem as distâncias físicas verdadeiras na molécula de DNA. Sequências nucleotídicas de genes e cromossomos O mapa físico definitivo de um gene ou cromossomo específico é sua sequência de pares de nucleotídeos, complementada por um gráfico de todas as modificações de pares de nucleotídeos que alteram a função desse gene ou cromossomo. - O avanço mais importante foi a descoberta das enzimas de restrição e seu uso no preparo de amostras homogêneas de segmentos específicos de cromossomos. - Outro progresso importante foi o aperfeiçoamento de técnicas de eletroforese em gel até o ponto de resolução de cadeias de DNA com diferença de comprimento de apenas um nucleotídeo. - As técnicas de clonagem gênica para facilitar o preparo de grande quantidade de uma molécula específica de DNA também foram importantes. Os protocolos de sequenciamento do DNA dependem da geração de uma população de fragmentos de DNA que têm uma extremidade em comum (todos exatamente com o mesmo nucleotídeo) e terminam em todas as posições possíveis (cada nucleotídeo consecutivo) na outra extremidade. A extremidade comum é a terminação 5’ do iniciador de sequenciamento. A terminação 3’ do iniciador contém uma terminação OH livre, que é o local de extensão da cadeia pela DNA polimerase. A extensão da cadeia produz ao longo do filamento de DNA. Esses fragmentos são separados, de acordo com o comprimento da cadeia, por eletroforese em gel de poliacrilamida. A técnica aprimorada de Sanger usa a síntese de DNA in vitro na presença de finalizadores de cadeia específicos para gerar populações de fragmentos de DNA terminados com A, G, C e T, respectivamente. Os trifosfatos de 2’, 3-didesoxirribunucleosídeo (ddXTP) são os finalizadores de cadeia mais usados no protocolo de sequenciamento de Sanger. - Todas as DNA polimerases têm necessidade absoluta de um grupo 3’-OH livre no filamento iniciador de DNA. Depois que as cadeias de DNA geradas nessa reação são liberadas dos filamentos-molde por desnaturação, são separadas por eletroforese em gel de poliacrilamida em um fino tubo capilar, em vez de serem colocadas na câmara-padrão de eletroforese; suas posições no gel são detectadas por laser e detector de fluorescência e depois registradas em computador. O comportados imprime a sequência de picos de fluorescência registrados quando cada cadeia 8 Maria Eduarda Santiago Nascimento nascente passa pelo feixe de laser. A cadeia mais curta atravessa o gel primeiro, e cada cadeia subsequente tem um nucleotídeoa mais que a precedente. O didesoxinucleotídeo na extremidade de cada cadeia determina a cor da fluorescência. Assim, para determinar a sequência de cadeia de DNA mais longa recém-sintetizada basta ler a sequência de picos de fluorescência da cadeira curta mais curta até a mais longa. Muitas das novas técnicas de sequenciamento usam protocolos de sequenciamento por síntese nos quais os filamentos iniciadores de complexos iniciadores-moldes imobilizados são alongados pela DNA polimerase por acréscimo de uma molécula de trifosfato de desoxirribonucleosídeo por vez e registro na sequência de acréscimo de nucleotídeos com base nos sinais luminosos registrados por um sensor de CCD (dispositivo de carga acoplada). Uma dessas técnicas é denominada pirossequenciamento porque depende da detecção do pirofosfato liberado quando um nucleotídeo é acrescentado à extremidade de um filamento iniciador. Outra técnica usa um feixe de laser para registrar o acréscimo de nucleotídeos marcados com corante fluorescente durante o alongamento de filamentos iniciadores ligados a diminutas esferas em uma mistura de água e óleo. Essa técnica é denominada sequenciamento 454. Ainda outra técnica, conhecida como sequenciamento Illumina (antes Solexa), usa finalizadores reversíveis para detectar nucleotídeos à medida que são acrescentados aos filamentos de DNA em crescimento. Nos aparelhos de sequenciamento que usam essa técnica, há um grande número de reações simultâneas; assim, costuma ser denominado sequenciamento paralelo em massa. Todos esses sistemas são rapidíssimos, e atualmente estão sendo desenvolvidas novas técnicas de sequenciamento. 9 Maria Eduarda Santiago Nascimento Identificação, amplificação e clonagem de genes - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Construção e rastreamento das bibliotecas de DNA - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Análise molecular de DNA, RNA e proteínas - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Análise molecular de genes e cromossomos - -
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