Gene
Gene, na definição da genética clássica, é a unidade fundamental da hereditariedade. Cada gene é formado por uma sequência específica de ácidos nucléicos - biomoléculas mais importantes do controle celular, pois contêm a informação genética. Existem dois tipos de ácidos nucléicos: ácido desoxirribonucléico (DNA) e ácido ribonucléico (RNA). Pensava-se que o ser humano possuía aproximadamente 100.000 genes nos seus 46 cromossomos, porém estudos atuais sobre o genoma identificaram entre 20.000-25.000 genes.
Dentro da genética moderna, o gene é uma sequência de nucleotídeos do DNA que pode ser transcrita em uma versão de RNA. O termo gene foi criado por Wilhem Ludvig Johannsen. Desde então, muitas definições de gene foram propostas. O gene é um segmento de um cromossomo a que corresponde um código distinto, uma informação para produzir uma determinada proteína ou controlar uma característica, por exemplo, a cor dos olhos.
Atualmente diz-se que um gene é um segmento de DNA que leva à produção de uma cadeia polipeptídica e inclui regiões que antecedem e que seguem a região codificadora, bem como sequências que não são traduzidas (íntrons) que se intercalam aos segmentos codificadores individuais (éxons), que são traduzidos.
Teoria "um gene - uma enzima"
Os primeiros indícios experimentais de que os genes atuam por meio do controle da síntese das enzimas foram em meados da década de 1930. Os pesquisadores George Beadle (1903-1989), Edward Lawrie Tatum (1909-1975) mostraram que a cor alterada do olho mutante da mosca Drosophila melanogaster devia-se à incapacidade do inseto realizar uma reação química específica na via metabólica da síntese de um pigmento visual.
Entusiasmado com os resultados obtidos com o estudo da mosca, mas cientes de que aquele organismo muito complexo para o teste de sua hipótese, Beadle e Tatum resolveram utilizar um organismo mais simples em seus experimentos: o bolor rosado do pão, Neurospora crassa.
Hipótese de Beadle e Tatum
Beadle e Tatum imaginaram que, para produzir todos os seus componentes, as células do fungo deviam realizar milhares de reações químicas, cada uma delas catalisadas por uma enzima específica. Se a hipótese de que cada enzima é codificada por um gene específico estivessem corretas, para cada reação metabólica devia haver um gene correspondente, responsável pela produção de enzima catalisadora específica. O que aconteceria se um desses genes essenciais à sobrevivência sofresse mutação, produzindo uma forma inativa da enzima?
Sendo a neurospora haplóide, um mutante para um gene essencial não sobreviveria, a menos que a substância codificada pelo gene fosse fornecida ao organismo como alimento. Essa idéia levou Beadle e Tatum a realizar um conjunto de experimentos com Neurospora pelo quais eles receberam, em 1958, o Nobel de Fisiologia/Medicina.
Em uma primeira etapa, para aumentar a frequência de mutação dos genes, Beadle e Tatum irradiaram esporos do fungo com raios X. Os esporos irradiados eram colocados em tubos de ensaio que continham diferentes meios de cultura. Para selecionar um mutante incapaz de produzir o aminoácido arginina, por exemplo, bastava suplementar o meio mínino com arginina: os fungos mutantes absorviam essa substância do meio e sobreviviam à sua deficiência genética. Um problema dessa técnica é que nos meios mínimos suplementados cresciam também fungos selvagens, isto é, que não haviam sofrido mutações. Como diferenciar um fungo, em que o gene para sintetizar arginina é funcional (arg+), de um fungo mutante, portador de um alelo defeituoso do gene (arg-)?
Beadle e Tatum encontraram a solução retirando uma pequena amostra de cada fungo cultivado no meio suplementado e transferindo-a para meio mínimo. Os fungos que se desenvolviam em meio mínimo eram, com certeza, selvagens (arg+); os que não se desenvolviam no meio mínimo eram mutantes, naquele caso incapazes de produzir arginina (arg-).
Controle da síntese de polipeptídios
Os resultados dos experimentos de Beadle e Tatum consolidaram a teoria um gene - uma enzima, que foi logo ampliada para o gene - uma proteína que se dividiu e acabou formando aminoácidos , pois ficou claro que os genes controlavam a síntese de qualquer proteína, e não apenas das proteínas enzimáticas. Quando se descobriu que uma proteína podia ser formada por mais de uma cadeia polipeptídica, cada uma delas condicionada por um gene diferente, a teoria tornou-se ainda mais abrangente e passou a ser denominada teoria "um gene - um polipeptídio".
A hemoglobina humana, por exemplo, é formada por quatro cadeias de tipos de polipeptídios, alfa e beta. Os dois locos gênicos responsável pela produção desses polipeptídios localizam-se em cromossomos humanos diferentes.
Diferenças entre genes bacterianos e genes eucarióticos
Genes interrompidos dos organismos eucarióticos
Em bactérias, a sequência de aminoácidos de um polipeptídio corresponde exatamente à sequência de bases do segmento de DNA que foi transcrito para o RNA. Os cientistas costumam dizer, por isso, que em bacterias há colinearidade entre as cadeias polipeptídicas e os segmentos de DNA que as codificam.
Nos organismos eucarióticos a situação é diferente; a maioria das cadeias polipeptídicas não é perfeitamente colinear à sequência de bases do DNA que as codifica. A razão disso é que a instrução para a síntese de proteínas nos genes eucarióticos é geralmente interrompida por trechos da molécula que não codificam aminoácidos.
Uma analogia pode ajudar a compreender esses conceitos de genes interrompidos e genes não-interrompidos. Imagine o texto de um livro, que contenha uma dada informação e que possa ser lido sem interrupções; podemos compara-lo a uma instrução bacteriana, em que a sequência de bases do DNA corresponde exatamente à sequência de aminoácido da proteína. Imagine agora o que acontece se introduzimos, em determinados pontos desse texto, palavras, frases ou parágrafos sem sentido; a informação original continua lá, mas interrompida por trechos sem significado, que têm de ser eliminada para que a informação seja compreendida. Essa segunda situação é análoga aos genes eucarióticos, nos quais a instrução genética é interrompida por sequências de nucleotídeos desprovidos de qualquer informação para síntese de polipeptídios.
Intrão e Exão
Em uma unidade de transição de um organismo eucariótico há trechos que serão traduzidos em sequência de aminoácidos e trechos intercalares, que não serão traduzidos. Em 1978, o geneticista norte-americano Walter Gilbert propôs os termos exão (do inglês exon, expressed region), região que são traduzidas em sequências de aminoácidos, e intrão (do inglês intron, intragenic region, região intragênica) para designar as regiões não traduzidas entre os exãos.
O processo de definição de intrãos e exãos por parte dos genes para definir quais trechos serão transcritos em uma cadeia de RNA guarda uma admirável complexidade. Desde os anos 1980 já se sabe que alguns genes são capazes de selecionar trechos distintos de exãos, produzindo, dessa forma, diferentes proteínas. Pesquisas recentes têm revelado que esse tipo de ocorrência, longe de ser uma exceção, é a regra no funcionamento dos genes, chegando a um número estimado médio de 5,7 variações possíveis transcrições de uma dada área codificadora. Um determinado gene seria capaz de produzir diferentes transcrições para diferentes tipos de células. Mesmo transcrições obtidas entre exãos de genes diferentes ou mesmo de cromossomos distintos estão sendo consideradas possíveis.
Essas observações têm levado a novas considerações sobre a definição de gene e, não apenas isso, a novos paradigmas quanto a forma de organização do genoma e da herança genética.