Bioinformática e Genomas Comparáveis

Há pouco mais de uma década quase não havia genomas completos para serem analisados. Hoje faltam programas e mão de obra especializada para dar conta da quantidade de sequências de DNA já depositadas em bases públicas de dados e que saem diariamente de uma nova geração de sequenciadores.

Extremamente velozes, essas máquinas determinam os pares de bases do material genético, as chamadas letras químicas, a um preço milhares de vezes menor do que no início dos anos 2000, quando chegou ao fim a epopeia de sequenciar o primeiro genoma humano.

De olho nesse desafio, o matemático João Meidanis, sócio-fundador da empresa Scylla Bioinformática e professor da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), investiu numa linha de pesquisa: criar métodos mais simples e eficientes para comparar dois ou mais genomas.

Ao lado de Pedro Feijão, ex-aluno seu de doutorado, formulou em 2009 a base teórica de uma técnica para comparar genomas inteiros denominada single-cut-or-join (SCJ) e, no ano passado, testou-a na prática em genomas de alguns organismos, como plantas e bactérias.

“Com nosso método, podemos comparar facilmente dois ou mais genomas sem aumentarmos exponencialmente o número de cálculos, como ocorre com outras técnicas”, afirma Meidanis. “Assim podemos construir árvores genealógicas e ver quais são os genomas mais próximos e os mais distantes do ponto de vista evolutivo.”

O matemático foi um dos coordenadores de bioinformática do projeto que sequenciou, no ano 2000, o genoma da bactéria da Xylella fastidiosa, causadora da doença do amarelinho nos laranjais. O trabalho rendeu a primeira capa da revista científica Nature a uma pesquisa brasileira.

Para confrontar todo o material genético de uma espécie com o de outra, os pesquisadores têm de recorrer a simplificações. A principal delas é considerar que os genes presentes nos genomas comparados são exatamente os mesmos, embora estejam ordenados de forma diferente na sequência específica de cada organismo.

Partindo desse raciocínio, os métodos para comparar genomas contabilizam o número de rearranjos que teriam sido necessários para que um genoma se transformasse no outro. Esses rearranjos decorrem da movimentação de grandes segmentos de DNA ocorrida ao longo do tempo na sequência original. Dessa forma, quanto menor for o número de rearranjos que separam dois genomas, mais próximos eles se encontram na árvore evolutiva.

Em seu método, Meidanis e Feijão formularam uma definição alternativa para o conceito de ponto de quebra (breakpoint), parâmetro importante para encontrar rearranjos numa sequência e, assim, calcular a proximidade de dois genomas. Ponto de quebra é o local em que há uma interrupção num longo segmento conservado nos genomas que estão sendo comparados.

No ano passado, a dupla ainda refinou outro método de comparação de genomas, mais elaborado que o SCJ. Inicialmente proposta no ano 2000, essa segunda técnica permitia confrontar apenas genomas circulares. Com o aperfeiçoamento, passou também a ser útil para comparar o material genético de cromossomos lineares.

Leia a reportagem completa em: http://revistapesquisa.fapesp.br/2013/02/11/mais-bits-a-servico-do-dna/

Fonte: Agencia FAPESP

READ MORE - Bioinformática e Genomas Comparáveis

Farmacogenomica: Medicina Personalizada

Um medicamento indicado para uma pessoa nem sempre pode ser eficaz para outra que sofra da mesma doença. O que tem efeito positivo em um paciente pode desencadear reações indesejáveis em outro.

A farmacogenética (ou farmacogenômica) pode identificar os fatores genéticos que explicam a variabilidade individual na resposta aos medicamentos. A maior parte da resposta aos medicamentos é poligênica. Para alguns medicamentos, porém, há uma situação monogênica. A variação genética pode ser em um gene.

“O que temos hoje em dia é uma discussão em torno de pares: um gene, um medicamento”, disse o farmacologista Guilherme Suarez-Kurtz, chefe do Programa de Farmacologia do Instituto Nacional do Câncer (Inca), à Agência FAPESP, durante o simpósio Medicina Translacional, realizado pela Academia Brasileira de Ciências em novembro.

“Os genes CYP representam o grupo mais importante da farmacogenética. As enzimas da família CYP metabolizam cerca de 80% dos medicamentos de uso clínico. Com isso, variações nos genes CYP podem alterar as doses a serem usadas”, disse.

Há ainda o gene VKORC, que afeta a resposta à varfarina (fármaco anticoagulante usado na prevenção de tromboses) e que apresenta variações genéticas frequentes.

“Um paciente, por apresentar essas características genéticas, tem um risco aumentado de sofrer efeitos colaterais. A genotipagem prévia vai mostrar que a variabilidade genética desse paciente pode aumentar o risco de efeitos tóxicos. É uma mudança de paradigma, uma nova e mais precisa variável”, disse Suarez-Kurtz à Agência FAPESP.

A genotipagem prévia pode, assim, possibilitar a aplicação de terapias individualizadas. “A forma de se usar essas informações no acompanhamento do paciente se dá sugerindo uma alteração de medicamento ou uma alteração de dose, ou dizer simplesmente que este paciente não pode fazer o tratamento, porque ele vai ter efeitos colaterais e irá interromper a terapia”, explicou.

Segundo o pesquisador, o abacavir, um dos antirretrovirais usados no tratamento da Aids, apresenta problemas de reações de hipersensibilidade associadas ao fator genético.

“É um remédio de primeira linha no tratamento da Aids, mas não é o único. Quando se diagnostica um paciente por infecção pela Aids, pode-se fazer genotipagem e se prescrever uma terapia alternativa”, avaliou Suarez-Kurtz, que também é professor titular da Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Muitas das variações genéticas têm um componente associado à ancestralidade individual, aponta o pesquisador.

“Por exemplo, um polimorfismo genético associado à ocorrência da síndrome de Stevens-Johnson (doença que provoca lesões cutâneas) em pacientes tratados com carbamazepina (medicamento anticonvulsivante utilizado no tratamento da epilepsia) é comum nas populações asiáticas, e raro nas populações africanas e europeias, principais ancestrais dos brasileiros. Assim, o risco desta síndrome nos brasileiros é mínimo”, disse Suarez-Kurtz.

Adoção clínica lenta

Estudo feito por pesquisadores da Rede Nacional de Farmacogenética (Refargen), iniciado em 2010 envolvendo 1.300 amostras, genotipou um número grande de polimorfismos farmacogenéticos reconhecidamente importantes.

Paralelamente, todos os indivíduos foram tipados com marcadores de ancestralidade para saber o quanto cada um deles tinha de ancestralidade africana, europeia ou, em menor escala, ameríndia.

“Quantificar a ancestralidade indígena é difícil por dois motivos: primeiro porque é difícil coletar informações dos ameríndios, uma vez que o sistema de proteção aos povos indígenas não permite estudar a genética dos índios, e segundo porque a contribuição média da ancestralidade ameríndia na população brasileira é de menos que 10%”, disse Suarez-Kurtz, coordenador da Refargen.

Entretanto, segundo o cientista, é impossível correlacionar a aparência física de brasileiros com a sua ancestralidade genética, ou seja, um indivíduo categorizado como “pardo” pelo IBGE pode não ter uma ancestralidade dominantemente africana.

Apesar dos avanços no campo, a adoção clínica da farmacogenética é um processo lento. “Os médicos norte-americanos consideram que existem cerca de 20 pares de medicamentos e genes que têm componentes farmacogenéticos importantes, incluindo a varfarina (anticoagulante) e a codeína (analgésico mais usado no mundo). Mas quantos desses médicos modificam as prescrições para atender à farmacogenética é outra história”, disse Suarez-Kurtz.

O fator genético não explica toda a variabilidade na resposta aos medicamentos. “A resposta aos medicamentos é um fenótipo complexo, um processo que envolve vários fatores. Fatores demográficos (como peso, idade, sexo) e clínicos, função renal, função hepática, hábitos alimentares, tabagismo, alcoolismo, enfim, são inúmeros os fatores que podem afetar a resposta aos medicamentos. As variáveis genéticas são um desses fatores. Então, para alguns medicamentos o fator genético é determinante, enquanto para outros o importante a se levar em conta é a idade, e para outros o peso”, concluiu o cientista.

 

Fonte: Agencia FAPESP

READ MORE - Farmacogenomica: Medicina Personalizada

Elementos Móveis no Genoma

Cada vez mais pesquisadores identificam funções importantes desempenhadas por trechos do DNA antes considerados lixo. Entre esses segmentos do material genético estão os chamados elementos de transposição ou transposons. São fragmentos que, a qualquer momento, duplicam-se ou se destacam de onde estão e se instalam em outras partes do DNA, às vezes junto a genes essenciais ou até em meio à estrutura desses genes. 

Na investigação desses curiosos personagens moleculares, o grupo da bióloga Marie-Anne Van Sluys na Universidade de São Paulo (USP) ataca o genoma da cana-de-açúcar em bloco – um enfoque inovador. E mostra que os movimentos desses fragmentos são menos aleatórios do que se imagina e possivelmente têm papel importante na dinâmica do genoma.

Essa análise em ampla escala tornou-se possível graças aos resultados do Projeto Genoma Cana-de-Açúcar (Sucest), encerrado em 2001, que desvendou sequências do genoma funcional dessa planta essencial na economia brasileira e revelou a existência de 276 elementos de transposição ativos – ou expressos, no jargão da biologia.

“Em 2005 demoramos dois meses para convencer o editor do Plant Journal de que o resultado era real, e não uma contaminação”, disse Marie-Anne, membro da coordenação do programa BIOEN-FAPESP.

Naquela época, estudos genômicos feitos inteiramente por pesquisadores brasileiros eram incomuns e o resultado surpreendia. Mas a revista acabou publicando o artigo, depois de aceitar o indício de que esses trechos do DNA – também conhecidos como transposons – deveriam ter função, embora ainda não se soubesse qual era.

A partir dos resultados do Sucest e do aumento da capacidade de gerar e analisar enormes volumes de dados, o grupo de Marie-Anne se debruçou de 2009 em diante, em colaboração com colegas do estado de São Paulo, no sequenciamento de mil pedaços seletos do genoma da cana-de-açúcar.

Sua equipe hoje parece uma linha de produção de conhecimento científico, e de certa maneira é: uma série de artigos deste ano traz avanços importantes sobre o funcionamento dos transposons.

O maior destaque vai para o estudo publicado na BMC Genomics, uma colaboração com pesquisadores da Universidade Estadual Paulista, entre eles Fabio Nogueira, e da Universidade Estadual de Campinas, a exemplo de Renato Vicentini.

De abril a julho de 2012, o artigo foi visto mais de mil vezes no site da revista e ganhou a etiqueta de altamente acessado. “Fomos os primeiros a mostrar molecularmente que os elementos de transposição têm padrões individualizados”, disse Marie-Anne.

Isso significa que, quando um desses fragmentos de DNA se destaca de sua localização de origem, seu destino não é tão aleatório como se pensava. Cada família de transposons tem uma tendência maior a se instalar em determinados cromossomos ou regiões cromossômicas. Ao estabelecer esses padrões, Marie-Anne espera caracterizar como essa interação influencia a ação dos genes.

O texto completo da reportagem está na edição 198 da revista Pesquisa FAPESP, em: Agência FAPESP: http://revistapesquisa.fapesp.br/2012/08/10/dna-cigano. 

Fonte: Agencia FAPESP

READ MORE - Elementos Móveis no Genoma

Projeto Genoma Onça-Pintada

Um consórcio de instituições iniciou o Projeto Genoma Onça-Pintada, que visa ao sequenciamento completo do material genético da espécie Panthera onca, incluindo caracterização integrada de diversos tipos de informação molecular.

O consórcio é integrado pela Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq) da Universidade de São Paulo (USP), a Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUC-RS) e a Fundação Oswaldo Cruz (Fiocruz) de Minas Gerais, em parceria com o Centro Nacional de Pesquisa e Conservação de Mamíferos Carnívoros (Cenap) do Instituto Chico Mendes de Conservação da Biodiversidade (ICMBio), o Instituto Pró-Carnívoros e o Zoológico Municipal de Sorocaba.

O projeto era planejado desde setembro de 2011 e foi iniciado agora com a coleta das primeiras amostras de material biológico de um exemplar do animal, proveniente do Pantanal, selecionado para sequenciamento.

O animal, que está mantido no Zoológico de Sorocaba, será o alvo principal do esforço de sequenciamento de DNA em grande escala, seguido dos processos computacionais de montagem genômica e anotação (caracterização) dos diferentes componentes do material genético da espécie, como genes, elementos regulatórios e elementos repetitivos.

De acordo com os pesquisadores participantes do projeto, o animal atuará como representante da espécie do ponto de vista da caracterização genômica, provendo dados essenciais para compreender a biologia e evolução da onça-pintada, bem como suas diferenças em relação a outras espécies.

Além da sequência genômica completa, o animal também será o foco de estudos sobre o transcriptoma da onça-pintada – a análise de quais genes estão sendo expressos (ativados) em diferentes tecidos em um determinado momento –, que permite validar e qualificar os dados genômicos, além de viabilizar inferências sobre o funcionamento dos genes no animal vivo.

As análises realizadas a partir do animal serão complementadas por investigações genômicas comparativas de outras onças-pintadas, provenientes de diferentes biomas, que serão relevantes para caracterizar a variabilidade genômica presente na espécie e para identificar as bases genéticas de características físicas que podem influenciar na sua adaptação a diferentes ambientes.

Segundo os pesquisadores, as informações serão importantes para compreender a história evolutiva da onça-pintada e contribuir para um delineamento mais preciso e abrangente de estratégias para a sua conservação na natureza.

Além disso, os dados genômicos gerados a partir do projeto poderão ter aplicação forense, provendo uma base de marcadores moleculares que auxiliará na análise de estrutura populacional da espécie e identificação da procedência geográfica de animais de interesse, por exemplo, apreendidos.

Para realizar o projeto, os pesquisadores utilizarão a infraestrutura do Laboratório Multiusuários Centralizado de Genômica Funcional Aplicada à Agropecuária e Agroenergia, instalado na Esalq com auxílio da FAPESP por meio do Programa Equipamentos Multiusuários.

“Com os recursos que obtivemos da FAPESP, adquirimos equipamentos para o centro de genoma funcional, que serão utilizados para sequenciar o genoma da onça-pintada”, disse Luiz Lehmann Coutinho, professor da Esalq e um dos pesquisadores participantes do projeto, à Agência FAPESP.

O pesquisador também participou do projeto de sequenciamento da Xylella fastidiosa, bactéria causadora do "amarelinho" – doença que devasta plantações de cítricos –, realizado no âmbito do Programa Genoma da FAPESP. 

Fonte: Agencia FAPESP

READ MORE - Projeto Genoma Onça-Pintada

Laboratório Virtual da Embrapa na Alemanha

A Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa), vinculada ao Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, terá uma representação do Programa Labex Europa (Laboratório Virtual da Embrapa no Exterior) na Alemanha.

A nova base física será no Forschungszntrum Jülich, uma das mais importantes instituições de pesquisa daquele país, ligada à área de educação alemã. A cooperação entre a Embrapa e o Forschungszntrum Jülich foi fechada por meio de um acordo assinado no dia 20 de janeiro, em Berlim, e prevê a colaboração técnica entre cientistas brasileiros e alemães.

Segundo Luciano Lourenço Nass, coordenador da Coordenadoria de Intercâmbio de Conhecimento (CCI) da Secretaria de Relações Internacionais (SRI) da Embrapa, as pesquisas terão foco na interação planta-ambiente e o seu uso em programas de melhoramento (fenotipagem). Esta linha de conhecimento pode ser aplicada para a adaptação de cultivares a mudanças climáticas, bem como o uso sustentável de recursos naturais. “Os resultados poderão ser usados para projetar sistemas de produção integrados e sustentáveis para a bioeconomia de alimentos/ração e bioenergia”, disse. 

A assinatura do compromisso entre a Embrapa e o Forschungszntrum Jülich contou com a presença da ministra da Agricultura alemã, Ilse Aigner, do ministro da Agricultura do Brasil, Mendes Ribeiro Filho, além do representante do ministério da Educação e Pesquisa da Alemanha, Henk Van Liempt.

O Programa Labex está no âmbito da cooperação científica da Embrapa. Trata-se de um modelo criado pela Empresa que permite aos pesquisadores acompanharem o desenvolvimento científico em áreas estratégicas para o Brasil, identificando organizações e cientistas, com objetivo de aproximá-los das redes de pesquisa e instituições brasileiras. O Labex tem como “missão” desenvolver oportunidades à cooperação em pesquisa agropecuária, sempre de acordo com os interesses do agronegócio brasileiro e dos países parceiros.

O primeiro Labex foi estabelecido em 1998, nos Estados Unidos junto ao Serviço de Pesquisa Agropecuária do Departamento de Pesquisa Agropecuária dos Estados Unidos (ARS/USDA). Chama-se Labex Estados Unidos. Em 2001, a iniciativa se expandiu com a instalação do Labex Europa, em cooperação com a Agropolis, na França. A “sede” fica em Montpelier, tendo extensões no Reino Unido (no Rothamsted Research) e, agora, chega à Alemanha, onde as atividades ocorrerão em parceria com o Forschungszntrum Jülich.

O Labex Coreia está em atividades desde 2010, em Suwon, e tem como parceiro a Agência de Desenvolvimento Rural (RDA) da Coreia do Sul. O Labex China tem inauguração prevista para o segundo semestre de 2012 e está em estudo a instalação do Labex Japão.

Mais informações: www.embrapa.br/a_embrapa/labex

Fonte: Agencia FAPESP

READ MORE - Laboratório Virtual da Embrapa na Alemanha

Genoma do Câncer

Em uma das maiores pesquisas genômicas já feitas sobre o câncer, um grupo de cientistas nos Estados Unidos sequenciou os genomas completos de tumores de 50 pacientes com câncer de mama e comparou os resultados com os DNAs de pessoas sem a doença.

A comparação permitiu identificar mutações que ocorrem apenas nas células cancerígenas. A pesquisa revela uma grande complexidade nos genomas dos tumores e poderá auxiliar no desenvolvimento de novas alternativas de tratamentos.

O trabalho foi apresentado no sábado (2/4) na 102ª Reunião Anual da Associação Norte-Americana de Pesquisa do Câncer, em Orlando, na Flórida.

No total, os tumores analisados apresentaram mais de 1,7 mil mutações, das quais a maior parte era única para cada mulher. “Genomas do câncer são extraordinariamente complicados, o que explica nossa dificuldade em prever consequências e encontrar novos tratamentos”, disse Matthew J. Ellis, professor da Escola de Medicina da Universidade de Washington em Saint Louis, um dos líderes da pesquisa.

Os cientistas sequenciaram mais de 10 trilhões de pares de base de DNA, repetindo as operações para cada tumor e para cada amostra dos voluntários sadios por em média 30 vezes para garantir a validade dos resultados.

“Os recursos computacionais utilizados para analisar tamanha quantidade de dados são semelhantes aos produzidos pelo Large Hadron Collider, usado para entender o funcionamento das partículas subatômicas”, disse Ellis.

As amostras de DNA vieram de pacientes que se submeteram a testes clínicos no Grupo de Oncologia do American College of Surgeons, liderado por Ellis. Todas as pacientes no estudo tinham o chamado câncer de mama positivo para receptor de estrógeno, no qual as células tumorais têm receptores que se ligam ao hormônio e ajudam os tumores a crescer.

A pesquisa confirmou que duas mutações são relativamente comuns em mulheres com câncer de mama. Uma deles é a PIK3CA, presente em cerca de 40% dos tumores do tipo que expressam receptores para estrógeno. Outra é a TP53, presente em cerca de 20% dos pacientes.

Ellis e colegas encontraram uma outra mutação, denominada MAP3K1, que controla a morte celular programada e não se encontra ativada em cerca de 10% dos cânceres de mama positivos para receptor de estrógeno.

Os cientistas também encontraram outros 21 genes que mostraram mutações significativas, mas em taxas inferiores e não apareciam em mais do que três pacientes.

Apesar da raridade dessas mutações, Ellis destaca sua importância. “Câncer de mama é tão comum que mesmo mutações que apareçam com frequência de 5% envolverão milhares de mulheres”, destacou.

Fonte: Agencia FAPESP

READ MORE - Genoma do Câncer

Genoma do Neandertal

Os neandertais (Homo neanderthalensis) desapareceram há mais de 30 mil anos, mas isso não impediu que tivessem seu genoma sequenciado. A novidade é o destaque da edição desta sexta-feira (7/5) da revista Science.

O sequenciamento, feito por um grupo internacional de cientistas a partir de DNA extraído de ossos com cerca de 40 mil anos, permitirá entender melhor a evolução humana.

Uma evidência importante resultante do trabalho já está no próprio artigo que descreve o sequenciamento: a de que os neandertais cruzaram com os primeiros representantes do homem moderno. O resultado do cruzamento é que pedaços do genoma do neandertal estão presentes nos genomas de grande parte da população mundial atual.

“Agora podemos dizer que houve troca de genes entre os neandertais e os humanos modernos”, disse o primeiro autor do artigo, Richard Green, professor de engenharia biomolecular da Universidade da Califórnia em Santa Cruz, nos Estados Unidos.

Green começou a trabalhar no sequenciamento quando estava no Instituto Max Planck de Antropologia Evolucionária. O instituto é dirigido por Svante Pääbo, que também coordena o Projeto do Genoma do Neandertal, que envolve um consórcio de instituições de pesquisa em diversos países na Europa e nos Estados Unidos.

“A sequência genômica do neandertal permite que comecemos a definir todas as características de nosso genoma que são diferentes de nosso parente evolutivo mais próximo”, disse Pääbo.

A comparação com os genomas do chimpanzé e do neandertal permitiu que os autores do estudo identificassem uma série de características genéticas únicas e exclusivas do homem moderno.

Genes envolvidos no desenvolvimento cognitivo, na estrutura do crânio, no metabolismo energético e na morfologia da pele estão entre aqueles destacados no estudo como tendo passado por importantes mudanças na evolução humana recente.

“Apenas arranhamos a superfície. O genoma do neandertal é uma mina de ouro de informações a respeito da evolução humana recente e será muito usado por muitos anos”, disse Green.

Os neandertais coexistiram com o homem moderno na Europa durante milhares de anos e evidências fósseis levaram alguns cientistas a especular que teria ocorrido o cruzamento entre as espécies. Mas o sequenciamento mostrou que há sinais de DNA de neandertal não apenas no genoma de europeus atuais, mas também em habitantes do leste da Ásia e até de Papua-Nova Guiné, onde os neandertais nunca viveram.

“O cenário não é o que a maioria imaginou. Encontramos o sinal genético dos neandertais em todos os genomas de não-africanos, o que implica que a mistura ocorreu muito cedo, provavelmente no Oriente Médio, e é compartilhada com todos os descendentes dos primeiros humanos que deixaram a África”, disse Green.

Mas os pesquisadores não encontraram evidência de algo geneticamente importante que o homem moderno tenha herdado do neandertal. “O sinal está distribuído esparsamente pelo genoma, como migalhas de pão que sinalizam algo que ocorreu no passado”, disse.

O esboço da sequência do genoma do neandertal agora divulgado é composto de mais de 3 bilhões de nucleotídeos. A sequência foi derivada do DNA extraído de ossos encontrados na caverna Vindiga, na Croácia, com idades entre 38 mil e 44 mil anos.

Sequenciar o genoma do neandertal foi um trabalho muito complexo, uma vez que os ossos não estavam bem preservados e mais de 95% do DNA extraído era de bactérias e de outros organismos que colonizaram as amostras.

Ao analisar o genoma, os pesquisadores estimam que as populações ancestrais do neandertal e do homem moderno tenham divergido entre 270 mil e 440 mil anos atrás. A estimativa é que os cruzamentos entre as espécies tenham ocorrido entre 50 mil e 80 mil anos atrás.

O artigo A Draft Sequence of the Neandertal Genome (10.1126/science.1188021), de Richard Green e outros, pode ser lido por assinantes da Science em www.sciencemag.org. 

Fonte: Agencia FAPESP

READ MORE - Genoma do Neandertal