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As contribuições de Roger Kornberg A estrutura dos nucleossomos

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As contribuições de Roger Kornberg A estrutura dos nucleossomos
ATUALIDADES
EM
QUÍMICA
Bettina Malnic
O prêmio Nobel de Química de 2006 foi outorgado ao pesquisador Roger Kornberg, que revelou em
detalhes moleculares como DNA é copiado em RNA mensageiro, um processo denominado de transcrição
gênica. Kornberg também identificou novos fatores protéicos que fazem parte do complexo de transcrição e
que são importantes para a regulação da expressão gênica em diferentes tecidos.
transcrição genética, RNA polimerase, mediador, eucariotos, prêmio Nobel
Recebido em 20/10/06, aceito em 21/10/06
M
ais uma vez a Academia Real
Sueca de Ciências decidiu
premiar na área de Química
uma descoberta que apresenta um
forte impacto para o estudo dos sistemas biológicos: o pesquisador
Roger D. Kornberg foi agraciado com
o prêmio Nobel de Química de 2006
pelos seus estudos sobre as bases
moleculares da transcrição gênica em
eucariotos. A freqüente premiação
com o Nobel de Química de temas
relacionados à Biologia ilustra a importância da integração interdisciplinar entre essas duas grandes áreas.
A informação genética contida no
DNA é primeiramente convertida em
RNA, que por sua vez é utilizado como molde para a síntese de proteínas.
Roger Kornberg, um bioquímico e biologista estrutural da Escola Médica da
Universidade de Stanford, descreveu
pela primeira vez como o processo
de conversão de DNA em RNA mensageiro, ou transcrição, ocorre do
ponto de vista estrutural. A transcrição
de genes é necessária durante toda
a vida de um organismo, desde a sua
formação até a sua manutenção,
como por exemplo durante o desen-
volvimento ou na reposição de células
purificada e verificou-se que ela é
mortas. Compreender como a transconstituída de doze subunidades. No
crição funciona também é fundamenentanto, nenhuma subunidade simital do ponto de vista médico, já que
lar ao fator sigma foi identificada. Hoje
distúrbios nos processos de transcrisabemos que outros tipos de fatores
ção estão relaciocumprem o papel do
nados a doenças
fator sigma em eucaA freqüente premiação
como o câncer.
riotos. Foram idencom o Nobel de Química
Os mecanismos
tificados cinco fatores
de temas relacionados à
de transcrição gêniassociados à RNA
Biologia ilustra a
ca em procariotos já
polimerase II que esimportância da integração
eram bastante cotão envolvidos na
interdisciplinar entre essas
nhecidos nos anos
transcrição de todos
duas grandes áreas
1960. A RNA polimeos genes, denominarase de bactérias consiste de quatro
dos de fatores gerais de transcrição.
subunidades centrais e uma quinta
Com o auxílio desses fatores gerais
subunidade variável, denominada de
de transcrição (TFIIB, D, E, F e H), a
fator sigma. A subunidade sigma é
RNA polimerase II em eucariotos renecessária para que a polimerase reconhece o sítio de início de transcriconheça o promotor de um gene,
ção e inicia a síntese de RNA.
uma seqüência específica de nucleoAs contribuições de Roger Kornberg
tídeos que sinaliza o local de início da
síntese de RNA. Em contraste com as
A estrutura dos nucleossomos
bactérias, os eucariotos apresentam
três tipos de RNA polimerase (I-III).
Por muito tempo acreditou-se que
Todos os genes codificadores de
o processo de transcrição em eucaproteínas são transcritos pela RNA
riotos ocorria de maneira muito simipolimerase II, que foi o alvo de estudo
lar ao de procariotos. Com o tempo,
de Kornberg. Durante os anos 1970,
foi ficando claro que o processo de
a RNA polimerase de eucariotos foi
transcrição em eucariotos é muito
mais complexo. Enquanto o DNA nas
bactérias está exposto, o DNA eucaA seção “Atualidades em Química” procura apresentar assuntos que mostrem como a Química é uma ciência viva,
seja com relação a novas descobertas, seja no que diz respeito à sempre necessária revisão de conceitos.
riótico está organizado na forma de
QUÍMICA NOVA NA ESCOLA
Prêmio Nobel de Química 2006
N° 24, NOVEMBRO 2006
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cromatina. Antes de iniciar seu trabalho sobre os mecanismos moleculares de transcrição, Kornberg estudou
a estrutura da cromatina. Durante seu
estágio de pós-doutorado, que foi
realizado sob a orientação de Francis
Crick e Aaron Klug, na Universidade
de Cambridge, na Inglaterra, ele
propôs que a unidade básica da
cromatina, o nucleossomo, é constituída de um octâmero de histonas e
de 200 pares-base de DNA (Figura 1).
Naquela época, não se acreditava
que a estrutura da cromatina apresentasse um papel importante na regulação da transcrição gênica. Desde
então se descobriu que o empacotamento do DNA em nucleossomos
apresenta uma grande importância na
regulação da expressão gênica. A
presença de nucleossomos nas regiões promotoras dos genes inibe a
transcrição destes pela RNA polimerase II. Os nucleossomos então
garantem que todos os genes eucarióticos estejam inativos, exceto aqueles cuja transcrição é ativada por
mecanismos regulatórios específicos.
Sabe-se que fatores de ativação
tecido-específicos são capazes de se
ligar a seqüências regulatórias presentes nos genes eucarióticos, denominadas de enhancers. Esses fatores
são capazes de modificar as histonas
nessas regiões, fazendo com que o
DNA seja descompactado de forma
que possa ser transcrito pela RNA
polimerase II, fazendo, por exemplo,
com que este gene seja transcrito em
um tecido específico e não em outro.
Experimentos recentes indicam
que os nucleossomos são completamente removidos da região promotora durante a transcrição em genes
ativos, de forma que a RNA polimerase II pode interagir diretamente com
o DNA. Após a transcrição, os nucleossomos são novamente formados. A modulação do estado de condensação da cromatina apresenta,
portanto, um papel fundamental na
regulação da expressão gênica,
sendo que Kornberg teve uma importante participação nessa descoberta.
A descoberta do mediador
Uma outra grande contribuição
de Roger Kornberg foi a de desenQUÍMICA NOVA NA ESCOLA
volver um sistema para o estudo da transcrição in vitro que
utilizava a levedura Saccharomyces cerevisae, que é um
eucarioto, as- Figura 1: Representação esquemática dos nucleossomos. O octâsim como são mero de histonas está representado por um disco, o DNA associado
os mamíferos. ao octâmero de histonas está representado como uma fita escura
Esse organis- e o DNA do linker (localizado entre os nucleossomos) está repremo-modelo ver- sentado como uma fita clara.
sátil e de fácil
manipulação facilitou imensamente
Desta maneira, foram determinao estudo da transcrição em eucados os três componentes necesriotos e permitiu que Kornberg
sários para que ocorra a transcrição
realizasse todo o seu trabalho que
em eucariotos (Figura 2): os fatores
culminou no prêmio Nobel.
gerais de transcrição, o mediador
No final dos anos 1980, Korne a RNA polimerase II. Nas bacberg purificou o complexo de transtérias, os ativadores e repressores
crição de levedura que continha a
de transcrição contactam direRNA polimerase II e os cinco fatores
tamente a RNA polimerase, afegerais de transcrição. Interessantetando assim a sua ligação ao promente, verificou que em um sistema
motor. Nos eucariotos, a interação
reconstituído que continha esse
desses fatores regulatórios com a
complexo de transcrição, apenas
RNA polimerase ocorre através de
níveis de transcrição basais eram
fatores intermediários, o mediador
observados, e que o sistema não
e a cromatina, ausentes nas bacera responsivo à adição de fatores
térias, permitindo um maior grau de
de ativação tecido-específicos.
complexidade na regulação da
Essa observação levou Kornberg à
transcrição.
inesperada
descoberta e
purificação de
um
grande
complexo, denominado de
mediador,
composto de
cerca de 20
proteínas, cuja
presença é necessária para
que ocorra a
regulação da
transcrição pelos fatores de
Figura 2: Representação esquemática de um complexo de início
ativação espede transcrição eucariótico contendo DNA (em azul), os fatores
cíficos. O megerais de transcrição TBP (que faz parte da TFIID), TFIIB, E, F e H,
o mediador, a RNA polimerase II e um fator de ativação específico
diador está au(ativador) ligado a um enhancer. O TBP (TATA binding protein)
sente nas bacliga-se ao TATA-box, seqüência presente na região promotora da
térias, mas esmaioria dos genes eucarióticos que são transcritos pela RNA
tá presente em
polimerase II. O mediador associa-se à região C-terminal não fostodos os eucaforilada da RNA polimerase II (RNA pol-CTD) e é necessário para
riotos, desde
que o ativador estimule o início da transcrição. Quando a transleveduras até
crição se inicia, a TFIIH fosforila a CTD e os fatores de gerais de
mamíferos.
transcrição se dissociam da RNA polimerase II.
Prêmio Nobel de Química 2006
N° 24, NOVEMBRO 2006
A captura da imagem atômica da
RNA polimerase II em ação
Apesar de identificados os componentes necessários à transcrição
em eucariotos, pouco se sabia a respeito dos aspectos químicos estruturais envolvidos neste processo.
Kornberg decidiu determinar a estrutura atômica da RNA polimerase II,
que deveria representar a plataforma
central do complexo de transcrição.
Para cumprir esta missão precisou
vencer grandes dificuldades técnicas,
já que além de possuir um grande tamanho (0,5 × 106 daltons)1, a RNA
polimerase II está presente em pequenas quantidades na célula e,
quando purificada, apresenta baixa
estabilidade. Após 20 anos de experimentos nos quais técnicas de microscopia eletrônica e cristalografia de
raios X foram utilizadas, Kornberg
determinou com sucesso a estrutura
cristalográfica da RNA polimerase II
com uma resolução de 2,8 Å. Uma
estrutura de menor resolução (3,3 Å)
onde a RNA polimerase II foi flagrada
no ato da transcrição também foi
determinada.
Cristalografia de raios X
A estrutura tridimensional de uma proteína pode ser resolvida através da
difração de raios X. Usando-se essa técnica, a posição tridimensional de
praticamente todos os átomos de uma
proteína pode ser determinada. O primeiro passo consiste em se obter cristais da proteína a ser analisada, onde
as moléculas estejam precisamente
orientadas. Em seguida, o cristal é irradiado com um feixe de raios X, que
apresentam um comprimento de onda
de 1 a 2 Å, semelhante ao comprimento de uma ligação covalente e, portanto, suficientemente pequeno para
resolver os átomos da proteína no cristal. Os raios X são refratados pelos elétrons das moléculas no cristal e detectados por um filme de raios X ou um
detector eletrônico. A partir da análise do padrão da difração e uma série de
cálculos elaborados, pode-se resolver a estrutura detalhada da proteína.
Os ácidos nucléicos ocupam uma
fenda profunda formada por duas
subunidades da enzima, que são
conectadas por uma ponte formada
por uma alfa-hélice (Figura 3). Acredita-se que essa alfa-hélice oscila
entre uma forma estendida e uma forma dobrada, o que causaria o deslo-
camento do híbrido DNA-RNA através da fenda, ao longo da transcrição.
Durante a transcrição, a RNA polimerase II deve se ligar ao DNA e mover-se por longas distâncias sobre ele –
milhares de nucleotídeos - sem se soltar, até alcançar o sítio de terminação
O laureado
Figura 3: Estrutura da RNA polimerase II durante a transcrição. O
grampo (em laranja) prende o DNA durante a transcrição. O
restante da RNA polimerase II está ilustrado em cinza. O DNA e o
RNA recém sintetizado (em vermelho) ocupam uma fenda localizada acima do sítio ativo da enzima (o metal no sítio ativo está
ilustrado como uma esfera cor-de-rosa). Uma alfa-hélice forma
uma ponte (em verde) que funciona como uma catraca que desloca o híbrido DNA-RNA através da fenda à medida que um novo
nucleotídeo é adicionado.
QUÍMICA NOVA NA ESCOLA
Linda A. Cicero; gentielza: Stanford News Service
Roger Kornberg nasceu em 1947, em St. Louis, MO,
EUA. Seu pai, Arthur Kornberg, ganhou o prêmio Nobel
em Medicina ou Fisiologia em 1959, pela descoberta
dos mecanismos de replicação do DNA pela DNA
polimerase. Roger Kornberg graduou-se em Harvard
em 1967 e doutorou-se em Química pela Universidade
de Stanford em 1972. Realizou seu pós-doutorado no
laboratório MRC, em Cambridge, Inglaterra, sob a
orientação de Francis Crick e Aaron Klug. Atualmente
é professor de Medicina na Escola Médica da Universidade de Stanford, Califórnia. Seu mais próximo colaborador científico sempre foi sua esposa, a Dra. Yahli
Lorch.
Roger Kornberg e seu pai, Arthur Kornberg.
Prêmio Nobel de Química 2006
N° 24, NOVEMBRO 2006
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de transcrição do gene. Os resultados
mostram que uma região da RNA
polimerase II forma uma estrutura na
forma de um grampo, que se encontra na forma aberta quando a enzima
está na forma livre, mas que se fecha
ao redor do DNA quando a síntese
de RNA inicia e o híbrido DNA-RNA
se encontra no sítio ativo. Quando a
síntese termina, o grampo se abre
novamente, liberando a enzima.
Os estudos de Kornberg permitiram pela primeira vez a compreensão
dos mecanismos estruturais que determinam o início da transcrição. O
próximo grande passo será resolver
a estrutura da RNA polimerase II com-
Para saber mais
6
BOEGER, H.; BUSHNELL, D.A.; DAVIS, R.; GRIESENBECK, J.; LORCH, Y.;
STRATTAN, J.S.; WESTOVER, K.D. e
KORNBERG, R.D. Structural basis of eukaryotic gene transcription. FEBS Letters,
v. 579, p. 899-903, 2005.
CRAMER, P.; BUSHNELL, D.A. e KORNBERG, R.D. Structural basis of transcription: RNA polymerase II at 2.8 angstrom resolution. Science, v. 292, p. 18631876, 2001.
plexada aos outros vários fatores de
transcrição que regulam a transcrição
gênica. Desta maneira poderemos
compreender como esses fatores
realmente interagem com a RNA polimerase. Esses estudos estruturais
poderão trazer benefícios práticos
também. Se pudermos, por exemplo,
identificar diferenças na maneira com
a qual as polimerases humanas e as
de procariotos interagem com o DNA
ou aos fatores de transcrição associados, poderemos desenvolver antibióticos que inibam a transcrição especificamente em patógenos. Uma outra
possibilidade seria identificar drogas
que inibam a ligação de fatores de
GNATT, A.L.; CRAMER, P.; FU, J.;
BUSHNELL, D.A. e KORNBERG, R.D.
Structural basis of transcription: An RNA
polymerase II elongation complex at a 3.3
angstrom resolution. Science, v. 292, p.
1876-1882, 2001.
KORNBERG, R.D. Chromatin structure:
A repeating unit of histones and DNA.
Science, v. 184, p. 868-871, 1974.
KORNBERG, R.D. e LORCH, Y. Twentyfive years of the nucleosome, fundamental particle of the eukaryote chromosome.
transcrição que induzem crescimento
celular à RNA polimerase II, já que esses fatores representam alvos potencias para terapias para o tratamento
de câncer.
Nota
1. Na área de Bioquímica, é bastante comum denominar de dalton a
unidade de massa atômica (u).
Bettina Malnic ([email protected]), bacharel
em Ciências Biológicas e doutora em Bioquímica e
Biologia Molecular pela USP, realizou estágio de pósdoutorado na Universidade de Harvard e é docente
do Departamento de Bioquímica do Instituto de
Química da USP, em São Paulo, onde é responsável
pelo Laboratório de Neurociência Molecular.
Cell, v. 98, p. 285-294, 1999.
KORNBERG, R.D. Mediator and the
mechanism of transcriptional activation.
Trends in Biochemical Sciences, v. 30,
p. 235-239, 2005.
KURAS, L.; BORGGREFE, T. e KORNBERG, R.D. Association of the mediator
complex with enhancers of active genes.
PNAS, v. 100, p. 13887-13891, 2003.
Na Internet
http://nobelprize.org
Abstract: Nobel Prize in Chemistry 2006: Structural Mechanisms of Eukaryotic Gene Transcription – The Nobel Prize in Chemistry 2006 was awarded to Roger Kornberg for his fundamental studies
concerning how the information stored in genes is copied into messenger RNA. This article describes how Kornberg solved the protein structure of the yeast RNA polimerase II as well as his other
contributions towards the understanding of the transcription process in eukaryotes.
Keywords: genetic transcription, RNA polymerase, mediator, eukaryotes, Nobel prize
Nota
Química Nova na Escola lança mais
um produto
Estamos lançando, no primeiro semestre de 2007, o DVD Química Nova
na Escola. Ele faz parte de um conjunto
de iniciativas que remontam ao início
de 2000, quando publicamos a primeira fita de vídeo e os primeiros Cadernos
Temáticos de QNEsc, dentro do projeto
“Recursos Multimídia para o Ensino de
Química e de Ciências”. Neste momento, incluímos doze programas de TV,
totalizando cerca de quatro horas de
produção audiovisual, que visam subsidiar a formação e a atuação dos proQUÍMICA NOVA NA ESCOLA
fessores de Química e de Ciências nas
salas de aula. Estão incluídos no DVD
QNEsc, quatro programas de TV lançados em formato VHS e mais 8 programas, todos eles pautados nos temas abordados nos seis Cadernos
Temáticos de QNEsc. A utilização de
recursos audiovisuais em sala de aula
está passando por uma revolução sem
precedentes, em razão do fenômeno
da convergência de mídia e da expansão da rede mundial de computadores
e de sua capacidade de difundir dados
com velocidade cada vez maior. É neste sentido que os professores de Química devem se manter atentos e motiPrêmio Nobel de Química 2006
vados para desenvolver técnicas de
uso mais dinâmicas e atuais das produções audiovisuais em sala de aula.
Neste número, Química Nova na Escola
publica um artigo (vide p. 8) que
discute e propõe formas de uso de
produções audiovisuais em sala de
aula, tomando como exemplo um dos
programas que fará parte do DVD
QNEsc. Comece desde já a se inteirar
desta discussão e não deixe de assinar
a Revista em 2007 para receber
gratuitamente o DVD Química Nova na
Escola.
(Marcelo Giordan – FE-USP)
N° 24, NOVEMBRO 2006
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