Reparação do DNA

A sobrevivência a longo prazo de uma espécie pode ser aumentada através de mudanças genéticas, mas a sobrevivência de um indivíduo demanda estabilidade genética. A manutenção da estabilidade genética necessita não apenas de um mecanismo extremamente preciso para replicação do DNA, antes da célula se dividir, mas também de mecanismos para reparação das muitas lesões acidentais que ocorrem continuamente no DNA. A maioria de tais mudanças espontâneas no DNA são temporárias, porque elas são imediatamente corrigidas por processos coletivamente denominados reparação do DNA. Muito raramente os processos de manutenção do DNA das células falham, permitindo uma mudança permanente no DNA. Tal mudança é denominada mutação, e ela pode destruir um organismo se ocorrer em uma posição vital na seqüência de DNA.

Antes de examinar os mecanismos de reparação do DNA, discutiremos brevemente a manutenção das seqüências de DNA de uma geração para a próxima.

As Seqüências de DNA São Mantidas com uma Fidelidade Muito Alta

A taxa na qual mudanças estáveis ocorrem nas seqüências de DNA (taxa de mutação), só pode ser estimada indiretamente. Pode-se comparar a seqüência de aminoácidos de uma mesma proteína em várias espécies. A fração de aminoácidos que é diferente pode ser comparada com o número de anos estimado, desde a divergência de cada par de espécies, a partir de um ancestral comum, como determinado a partir do fóssil. Desta forma é possível calcular-se o número de anos que se passaram, em média, antes que uma mudança inerente na seqüência de aminoácidos da proteína se torne permanente nas espécies. Pelo fato de tal mudança comumente refletir a alteração de um único nucleotídeo na seqüência de DNA do gene que codifica aquela proteína, este valor pode ser usado para estimar o número médio de anos necessários para produzir uma única e estável mutação no gene.

Tais cálculos sempre subestimarão substancialmente a taxa de mutação real, pois muitas mutações tomarão a proteína não-funcional fazendo com que esta desapareça da população através da seleção natural. Existe, porém, uma família de proteínas cuja seqüência não parece ser importante, e assim os genes que a codificam podem acumular mutações sem serem selecionados. Estas proteínas são os fibrinopeptídeos - fragmentos de 20 resíduos liberados da proteína fibrinogênio, quando esta é ativada para formar a fibrina, durante a coagulação do sangue. Como a função dos fibrinopeptídeos aparentemente não depende da sua seqüência de aminoácidos, eles toleram quase que qualquer mudança de aminoácidos. Análise de seqüência de fibrinopeptídeos indica que uma proteína de aproximadamente 400 aminoácidos seria aleatoriamente alterada, através de uma mudança de aminoácido a cada 200.000 anos. Mais recentemente, a tecnologia de seqüenciamento de DNA tornou possível a compararação de seqüências de nucleotídeos correspondentes à regiões do genoma, que não codificam proteínas. Comparações de tais seqüências em várias espécies de mamíferos produzem estimativas da taxa de mutação durante a evolução, que estão de acordo com as taxas obtidas a partir dos estudos com os fibrinopeptídeos.

As Taxas de Mutação Observadas em Células Proliferativas São Consistentes com as Estimativas Evolucionárias

A taxa de mutação pode ser estimada mais objetivamente, através da observação da taxa pela qual mudanças genéticas espontâneas aparecem em uma grande população de células, em um período de tempo relativamente curto. Isto pode ser feito estimando-se a freqüência de aparecimento de novos mutantes em uma extensa população animal (em uma colônia de moscas-de-fruta ou camundongos, por exemplo), ou ainda procurando-se mudanças em proteínas específicas em células cultivadas. Embora os números obtidos em ambos os casos serem apenas aproximados, eles são consistentes com um erro de freqüência na mudança de um par de bases, aproximadamente, a cada 10 ⁹ pares de bases para cada geração. Em conseqüência, um único gene que codifica uma proteína de tamanho médio (contendo cerca de 10 ³ pares de bases) sofrerá uma mutação em cada 10⁶ gerações. Este número é pelo menos aproximadamente consistente com a estimativa evolucionária, já descrita, na qual uma mutação aparece em um gene qualquer de uma linhagem a cada 200.000 anos.

 

A Maioria das Mutações nas Proteínas São Letais e São Eliminadas através da Seleção Natural

Quando se esboça um gráfico da função do número das diferenças em aminoácidos, em uma determinada proteína para várias espécies, versus o tempo transcorrido desde que estas espécies divergiram, o resultado é praticamente uma reta. Isto é, quanto mais longo o período a partir da divergência, maior é o número de diferenças. Por conveniência, a inclinação desta reta pode ser expressa em termos de "unidade do tempo de evolução" para aquela proteína, que é o tempo médio necessário para que a mudança em um aminoácido apareça em uma seqüência de 100 resíduos de aminoácidos. Quando várias proteínas são comparadas cada uma mostra uma taxa de evolução diferente, mas característica (Figura 6-32). Como se acredita que todos os pares de bases de DNA estão sujeitos a aproximadamente a mesma taxa de mutação aleatória, essas taxas diferentes devem refletir diferenças na probabilidade de que um organismo carregando uma mutação aleatória, em uma dada proteína, sobreviverá e se propagará. Mudanças na seqüência de aminoácidos são evidentemente muito mais danosas para algumas proteínas do que para outras. Observando-se a Tabela 6-2 podemos estimar que cerca de 6 em 7 mudanças aleatórias em aminoácidos são prejudiciais, a longo prazo, para a hemoglobina, como também cerca de 29 em 30 mudanças em aminoácidos são prejudiciais para o citocromo c, e virtualmente toda e qualquer mudança em aminoácido é prejudicial para a histona H4. Assumimos que indivíduos que carregam mutações tão danosas foram eliminados da população através da seleção natural.

Como Sabemos, Baixas Taxas de Mutação São Necessárias para a Vida

Como a maioria das mutações é letal, nenhuma espécie pode acumulá-las em alta taxa nas suas células germinativas. Discutiremos, posteriormente, porque se acredita que a freqüência de mutação observada, apesar de baixa, limita em cerca de 60.000 o número de proteínas essenciais que qualquer organismo pode codificar em sua linhagem germinativa. Extrapolando-se o mesmo argumento, uma freqüência de mutação dez vezes maior limitaria o número de proteínas essenciais de um organismo para cerca de 6.000. Neste caso a evolução seria interrompida em um organismo menos complexo do que a mosca-da-fruta.

Enquanto as células germinativas devem ser protegidas contra altas taxas de mutação para manter as espécies, as outras células de um organismo multicelular (as células somáticas) devem ser protegidas de mudanças genéticas para resguardar o indivíduo. Mudanças de nucleotídeos em células somáticas podem originar células variantes, algumas das quais, através do processo de seleção natural, crescem rapidamente às expensas do resto do organismo. No caso mais extremo, a proliferação celular descontrolada resulta no câncer, responsável por cerca de 30% das mortes que ocorrem na Europa e na América do Norte. Estas mortes são amplamente devidas a um acúmulo de mudanças nas seqüências de DNA de células somáticas (discutido no Capítulo 24). Um aumento de dez vezes na freqüência de mutação causana, presumivelmente, um aumento desastroso na incidência de câncer, acelerando a taxa de surgimento de células somáticas variantes. Assim, tanto para a perpetuação de uma espécie com 60.000 proteínas (estabilidade das células germinativas), quanto para a prevenção do câncer resultante de mutações em células somáticas (estabilidade das células somáticas), os eucariotos dependem marcadamente da alta fidelidade com a qual as seqüências de DNA são mantidas.

 

Baixas Taxas de Mutação Significam que os Organismos Relacionados Devem Ser Compostos essencialmente a Partir das Mesmas Proteínas

Os humanos, como um gênero distinto dos hominóides (chimpanzé, gorila, orangotango e gibão), existem há apenas poucos milhões de anos. Cada gene humano teve, portanto, a oportunidade de acumular relativamente poucas mudanças de nucleotídeos desde a nossa origem, e a maioria delas foi eliminada por meio da seleção natural. Uma comparação entre humanos e macacos, por exemplo, mostra que suas moléculas de citocromo c e de hemoglobina diferem cerca de 1 e 4%, respectivamente, nas posições dos aminoácidos. Claramente, grande parte da nossa herança genética deve ter sido formada muito antes do aparecimento do Homo sapiens, durante a evolução dos mamíferos (que teve início cerca de 300 milhões de anos atrás), ou até mesmo mais cedo. Devido ao fato das proteínas de mamíferos tão diferentes como as baleias e os humanos serem muito semelhantes, as mudanças evolutivas que produziram diferenças morfológicas tão marcantes devem envolver relativamente poucas mudanças nas moléculas, a partir das quais somos constituídos. Ao contrário, acredita-se que as diferenças morfológicas surgiram a partir das diferenças no padrão temporal e espacial da expressão gênica durante o desenvolvimento embrionário, que determinam o tamanho, a forma e outras características do adulto. No final do Capítulo 8, discutiremos os mecanismos que se acredita fundamentar estas mudanças evolutivas na expressão gênica.

Se Deixadas sem Correção, as Lesões Espontâneas Mudariam rapidamente as Seqüências do DNA

O físico Erwin Schroedinger chamou atenção, em 1945, para o fato de que, independente da sua natureza química (até então desconhecida), um gene deve ser extremamente pequeno

 

Figura 6-33 Desaminação e depurinação. Estas reações hidrolíticas são as duas mais freqüentes reações químicas espontâneas conhecidas para criar sérias lesões no DNA das células. Apenas um único exemplo é mostrado para cada tipo de reação.

e composto de poucos átomos. Do contrário, o grande número de genes, que se acreditava ser necessário para gerar um organismo, não caberia no núcleo da célula. Por outro lado, por ser tão pequeno, seria esperado que um gene sofresse mudanças significativas, como resultado de reações espontâneas, induzidas por colisões térmicas aleatórias com moléculas de solventes. Isto levantou um sério dilema, porque a informação genética indica que os genes são compostos por uma substância extremamente estável na qual mudanças espontâneas (mutações) raramente ocorrem.

Este dilema é real. O DNA sofre grandes mudanças como resultado de flutuações térmicas. Hoje se sabe, por exemplo, que cerca de 5.000 bases purinas (adenina e guanina) são perdidas por dia do DNA de cada célula humana, devido a disrupção térmica de suas ligações N-glicosílicas à desoxirribose (depurinação). Da mesma forma, a desaminação espontânea da citosina a uracil, no DNA, é estimada a uma taxa de 100 bases por genoma/dia (Figura 6-33). As bases do DNA também estão sujeitas a mudanças por metabólitos reativos (incluindo formas reativas do oxigênio), que podem alterar a capacidade de pareamento, e pela luz ultravioleta do sol, que promove a ligação covalente entre duas pirimidinas adjacentes no DNA (formando, por exemplo, os dímeros de timina mostrados na Figura 6-34B). Estas são apenas algumas das muitas mudanças que podem ocorrer no nosso DNA (Figura 6-34A). Seria esperado que a maioria dessas mudanças promovesse deleções de um ou mais pares de bases na cadeia-filha do DNA, após a sua replicação, ou promovesse substituição no pareamento de bases (cada desaminação C® U, por exemplo, mudaria eventualmente o pareamento C-G para T-A, com U se assemelhado extremamente com T e formando um pareamento complementar com A). Como vimos, uma alta taxa de tais mudanças aleatórias traria conseqüências desastrosas para um organismo.

A Estabilidade dos Genes Depende da Reparação do DNA

Apesar das milhares de mudanças aleatórias produzidas diariamente no DNA de uma célula humana, pela energia do calor e por acidentes metabólicos, somente algumas mudanças estáveis (mutações) acumulam-se na seqüência de DNA de uma célula comum no decorrer de um ano. Hoje, sabe-se que menos de uma em mil mudanças acidentais de bases no DNA causam uma mutação; as restantes são eliminadas, muito eficientemente, por reparação do DNA.