A primeira sequência completa de DNA de um genoma eucariótico, a da levedura Saccharomyces cerevisiae, foi lançada em formato electrónico há mais de um ano (1). Sem dúvida, cada membro do consórcio internacional de biólogos da levedura argumentou para sua própria agência de financiamento na Europa, Japão, Grã-Bretanha, Canadá ou Estados Unidos que essa levedura seria um belo “organismo modelo”, útil para a interpretação e compreensão das sequências de DNA humano. Quão certo estavam?
Foi claro muito antes do início da sequenciação sistemática dos genomas que existem genes em leveduras e mamíferos que codificam proteínas muito semelhantes (2). Algumas homologias – incluindo proteínas de sistemas moleculares (por exemplo, os ribossomos e citoesqueletos) – não foram nenhuma surpresa. Algumas, no entanto, foram bastante inesperadas. Um exemplo particularmente surpreendente foi a descoberta em leveduras de dois homólogos próximos (RAS1 e RAS2) do mamífero RAS proto-oncogene; células de leveduras sem ambos os genes são inviabilizadas. Em 1985 este sistema foi a ocasião para o primeiro de muitos testes deliberados de conservação funcional: A sequência H-ras de mamíferos foi expressa numa cepa de levedura sem ambos os genes RAS, com o resultado notável de que a viabilidade foi restaurada, indicando uma profunda conservação não só da sequência, mas também da função biológica detalhada (3).
Com toda a sequência do genoma da levedura em mãos, podemos estimar quantos genes de levedura têm homólogos mamíferos significativos. Comparamos (4) todas as sequências de proteínas de leveduras com as sequências de mamíferos no GenBank . O resultado (veja a tabela) é encorajador: Para quase 31% de todos os potenciais genes codificadores de proteínas de leveduras (quadros de leitura abertos, ou ORFs), encontramos um homólogo estatisticamente robusto entre as sequências de proteínas de mamíferos (5). Isto é claramente uma subestimação, pois as bases de dados certamente ainda não contêm as sequências de todas as proteínas de mamíferos ou mesmo representantes de todas as famílias de proteínas. Muitas destas semelhanças relacionam domínios individuais, e não proteínas inteiras, sem dúvida refletindo o embaralhamento de domínios funcionais característicos da evolução proteica.
Tabela 1
Homólogos mamíferos (baseado no valor de P)
| Valor de P | Número de ORFs No valor de P ou inferior |
Percentagem do total de ORFs (n = 6223) |
Percentagem de ORFs com função desconhecida |
|---|---|---|---|
| 1 × 10-10 | 1914 | 30.8 | 34 |
| 1 × 10−20 | 1553 | 25.0 | 30 |
| 1 × 10−40 | 1083 | 16.8 | 26 |
| 1 × 10−60 | 784 | 12.6 | 23 |
| 1 × 10−80 | 576 | 9.3 | 22 |
| 1 × 10−100 | 442 | 7.1 | 21 |
| 1 × 10−150 | 221 | 3.6 | 23 |
| 1 × 10-200 | 101 | 1.6 | 25 |
Even embora S. cerevisiae esteja entre os organismos experimentais mais bem estudados, 60% dos seus genes ainda não têm função experimentalmente determinada. Destes, a maioria tem alguma semelhança ou motivo sugerindo possíveis funções, deixando cerca de 25% (por contagem real) sem qualquer indício. Ao compilar os dados na tabela, observamos que genes com homologia a seqüências de mamíferos são muito menos prováveis de não ter nada experimental conhecido de sua função. Apenas 34% de todo o conjunto de genes de leveduras com homólogos de mamíferos não têm nenhuma função listada no banco de dados de genes Saccharomyces; comparado a menos de 25% dos genes com a homologia mais forte. Não sabemos a razão disso, embora não descartamos a idéia otimista de que os biólogos da levedura tenham conseguido se concentrar nos genes mais importantes (aqueles com maior probabilidade de serem conservados).
A probabilidade de um gene humano recém-descoberto ter um homólogo da levedura com pelo menos alguma informação funcional sobre um de seus domínios é, portanto, bastante boa. A manipulação genética em leveduras é fácil e barata, enquanto que tal manipulação, mesmo quando possível em sistemas de mamíferos, não é nem fácil nem barata. Existe ainda a oportunidade de explorar a compatibilidade funcional através do método descrito acima para os genes RAS. Pelo menos 71 genes humanos complementam as mutações da levedura; isto é certamente uma subestimação (6). Assim, a informação sobre genes humanos aprendida com o estudo de seus homólogos de levedura vem a um preço excelente.
Provavelmente os melhores exemplos do valor da levedura como um sistema modelo dizem respeito a genes de doenças humanas que foram mapeados por ligação, clonados posicionalmente, e depois sequenciados. Normalmente nada é conhecido sobre estes genes além do fato de que sua herança resulta em doença. A sequência do gene geralmente fornece a primeira pista para funcionar por meio da homologia aos genes de outros organismos, geralmente S. cerevisiae (7). Entre as melhores combinações estão os genes humanos que causam câncer de cólon hereditário não-polipose (MSH2 e MLH1 em leveduras), neurofibromatose tipo 1 (IRA2 em leveduras), ataxia telangiectasia (TEL1 em leveduras) e síndrome de Werner (SGS1 em leveduras). Duas delas têm histórias particularmente ilustrativas.
Os cânceres de cólon não-polipose hereditários têm um fenótipo celular: instabilidade de sequências curtas e repetidas nas células tumorais. Estimulados por este resultado, e mesmo antes dos genes humanos terem sido clonados, pesquisadores de leveduras isolaram mutações em genes de leveduras com o mesmo fenótipo (incluindo mutações em MSH2 e MLHI), prevendo que os genes do câncer de cólon provavelmente seriam seus homólogos (8).
Síndrome de Werner é uma doença com várias marcas de envelhecimento prematuro. Novamente existe um fenótipo celular, que inclui um tempo de vida reduzido em cultura. A sequência do gene humano foi altamente similar à do gene da levedura SGS1, que codifica um helicóptero de DNA. Na página 1313 desta edição, Sinclair et al. (9) relatam que as células de levedura mutante SGS1 têm um tempo de vida acentuadamente reduzido e compartilham outros fenótipos celulares com células de indivíduos com síndrome de Werner.
Então, a levedura se mostrou de fato um “modelo” útil para a biologia eucariótica. Há ampla justificação para intensificar os esforços para determinar os papéis funcionais dos restantes 60% dos genes da levedura, cuja função ainda não é conhecida. Há também muitas razões individuais para focar ainda mais atenção em genes como o MSH2 e SGS1. Estes genes de leveduras podem representar o caminho mais eficiente para compreender o câncer de cólon e o envelhecimento causado por mutações em seus homólogos humanos.