Introdução ao universo dos non-coding RNAs by Editora Cubo

Em conjunto, as diversas classes de pequenos e longos non-coding RNAs constituem uma rede altamente articulada capaz de mediar e executar diversas funções importantíssimas na célula. Os ncRNAs estão envolvidos, por exemplo: na regulação gênica transcricional e pós-transcricional (circRNAs, lncRNAs, phasiRNAs, eRNAs, siRNAs, miRNAs), no início e finalização da duplicação de cromossomos lineares (primers de RNA e TERC), na modificação e edição de DNAs e RNAs (crRNAs, tracrRNAs, gRNAs, snoRNAs), na síntese de proteínas (tRNAs e rRNAs), em algumas atividades catalíticas (ribozimas), nos eventos de splicing (snRNAs) e, em alguns casos, podem até mesmo parasitar as células (viroides). Eles podem ainda atuar como aptâmeros, guias, signals, scaffolds e decoys. A diversidade de tamanhos, estruturas, funções, naturezas, modificações e níveis de conservação filogenética revela uma gama inacreditavelmente extensa e bela de ncRNAs. Este compêndio apresenta o universo dos ncRNAs de uma maneira mais objetiva, sintética e integradora, abordando para cada classe: o histórico, a biogênese, o mecanismo de ação, o papel biológico, entre outros aspectos (sites e bancos de dados específicos, principais estratégias moleculares e computacionais de estudo, moléculas associadas etc.), para quem deseja iniciar a pesquisa, conhecer e/ou se atualizar sobre esse importante campo da genética. Desde os primórdios da vida, no hipotético Mundo do RNA, até a execução de papéis centrais na célula atual, os ncRNAs têm se revelado os verdadeiros protagonistas e, possivelmente, a origem e o centro da Biologia.

Quantas e quais são as principais classes de RNAs não codificadores de proteínas? Como elas se relacionam? Como os ncRNAs atuam na célula? Como essas moléculas estão sendo usadas na pesquisa básica e aplicada? Quais são as principais estratégias moleculares para estudá-las? Há sites e bancos de dados específicos para cada classe? Há formas de superexpressá-las ou silenciá-las? O que são PASRs, tiRNAs, uaRNAs, vault RNAs, guide RNAs, RNAs patogênicos, TERC, piRNAs, circRNAs, tRFs, ribozimas, riboswitches, qiRNAs, diRNAs, phasiRNAs, miRNAs, TASR, siRNAs, snoRNAs, snRNAs, entre diversos outros? Neste compêndio e quarto volume da série, mais de 50 pesquisadores e docentes de 16 instituições de pesquisa do Brasil e do exterior discorrem sobre esses e outros aspectos dos non-coding RNAs. A partir da identificação dos primeiros RNAs “não mensageiros” até o atual tsunami de classes de ncRNAs com diversas atribuições funcionais, essas moléculas estão se revelando verdadeiros maestros da sinfonia molecular da célula.

Comissão Editorial Sociedade Brasileira de Genética Editor

Tiago Campos Pereira

Universidade de São Paulo Comissão Editorial

Carlos Frederico Martins Menck Universidade de São Paulo

Louis Bernard Klaczko

Universidade Estadual de Campinas

Marcio de Castro Silva-Filho Universidade de São Paulo

Maria Cátira Bortolini

Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Marcelo dos Santos Guerra Filho Universidade Federal de Pernambuco

Pedro Manoel Galetti Junior

Universidade Federal de São Carlos

Introdução ao universo dos non-coding RNAs / Tiago Campos Pereira (organizador). – Ribeirão Preto : Sociedade Brasileira de Genética, 2017. 219 p. ISBN 978-85-89265-25-6 1. ncRNAs. 2. Biologia molecular. 3. Genética. I. Pereira, Tiago Campos, org.

Capa, projeto gráfico e diagramação

Rua Cap. Adelmio Norberto da Silva, 736 14025-670 - Ribeirão Preto - SP 16 3621-8540 | 16 3621-3552

Caros pesquisadores, É com grande prazer que a GeneSeq traz para você mais uma leitura agradável de grande teor científico sobre a imensa diversidade e complexidade do mundo dos RNAs, mais especificamente, os ncRNAS (non-coding RNAs). Suas funções são as mais diversas e a quantidade de informações para ser interpretada nesse universo dos RNAs não codificantes nos apontam para um futuro intenso em pesquisa básica. A GeneSeq, desde a sua fundação, tem se proposto a ajudar os pesquisadores brasileiros a desfrutarem dos mais qualificados serviços de sequenciamento por preços muito competitivos. Temos o orgulho de oferecer suporte científico para o seu projeto e também oferecer suporte em análise de bioinformática. Temos atualmente o preço de exoma (clínico e para pesquisa) mais acessível do mercado. Tudo isso para garantir que os pesquisadores possam acessar todo o arsenal genômico disponível hoje no mercado com alta qualidade e rapidez. Orgulhamos por estarmos contribuindo para a pesquisa brasileira e queremos continuar essa parceria com a comunidade científica! Conte conosco para todas as necessidades genômicas do seu projeto! Se tiver alguma dúvida, não hesite em nos contatar. Desejamos uma ótima leitura! Sinceramente, Equipe GeneSeq GeneSeq:Dando Sequência à Vida www.geneseq.com.br

Os autores

Ádamo Davi Diogenes Siena é bacharel em Ciências Biológicas pela UNESP. Possui mestrado em Genética, pela Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto (FMRP) da USP. Atualmente é aluno de doutorado em Genética, pela FMRP/USP. Andrii Bugai é graduado em Biologia e mestre em Genética na Vasyl Karazin Kharkiv National University (Ucrânia). Atualmente é doutorando no Depto. de Bioquímica, na Faculdade de Medicina da Universidade de Helsinki (Finlândia). Alexandre José Christino Quaresma possui graduação em Ciências Biológicas pela UNICAMP. Realizou seu doutorado no LNBio, divisão do LNLS. Atualmente trabalha no Depto. de Bioquímica, na Faculdade de Medicina da Universidade de Helsinki (Finlândia). Aline Maria Lucchetta é bióloga pela USP e faz mestrado no Lab. de Evolução e Biologia Integrativa pelo Programa de Pós-Graduação em Biologia Comparada da USP. Benedito Alves de Oliveira Júnior é graduando no curso de Ciências Biológicas nas modalidades licenciatura e bacharelado com ênfase em Biologia Molecular e Tecnológica pela FFCLRP - USP. Blake C. Meyers é pesquisador (Principal Investigator) do Donald Danforth Plant Science Center, Saint Louis, Missouri (EUA) e professor da Divisão de Plantas da University of Missouri (EUA). Camila Figueiredo Pinzan é formada em Ciências Biológicas, obteve mestrado e doutorado em Imunologia Básica e Aplicada pela USP. Realizou pós-doutoramento na Universidade de Cambridge (Inglaterra) e atualmente realiza pós-doutorado no Depto. de Biologia Celular e Molecular e Bioagentes Patogênicos (FMRP-USP). Carla Columbano Oliveira é professora associada do Depto. de Bioquímica, IQ-USP. Bióloga pela UEL; mestrado em Genética pela UFRGS; doutorado em Biologia Molecular pela Universität Carolo-Wilhermina (Alemanha); pós-doutorado em Biologia Molecular na University of Rochester (EUA). Carolina Alves Pereira Corrêa possui graduação em Ciências Biológicas pela UNESP e mestrado em Ciências pela FMRP-USP. Atualmente é doutoranda na FMRP-USP atuando nas áreas de genética, epigenética, microRNAs e câncer. Cristiane de Santis Alves é pós-doutoranda do Laboratório de Telômeros no Depto. de Genética do IBB-UNESP de Botucatu. Bióloga pela UNESP, com Mestrado e Doutorado em Ciências Biológicas (Genética) pela mesma instituição. Danielle Biscaro Pedrolli é docente do Depto. de Bioprocessos e Biotecnologia da UNESP em Araraquara, onde atua na área de Biologia Sintética. Formada em Biologia, com Mestrado e Doutorado em Microbiologia Aplicada, todos pela UNESP. Realizou pós-doutorado na Universidade de Ciências Aplicadas de Mannheim (Alemanha).

Danyel Fernandes Contiliani é graduando no curso de Ciências Biológicas com ênfase em Biotecnologia pela FCAV-UNESP. Eric Aguiar é residente pós-doutoral em Bioinformática no Depto. de Bioquímica e Imunologia da UFMG. Bacharel em Ciências da Computação pela UESC, tem especialização em Análise de Sistemas e doutorado em Bioinformática pela UFMG. Ernna Hérida Domingues de Oliveira é Professora Adjunta da Faculdade Metropolitana de Anápolis. Bióloga pela UEG, com Mestrado, Doutorado e Pós-Doutorado em Genética pela FMRP-USP. Fabiano Carlos P. de Abreu é doutorando pelo Programa de Pós-Graduação em Genética da FMRP-USP. Bacharel em Biotecnologia pela UNIFAL-MG e Mestre em Biotecnologia pela UFOP. Fábio Tebaldi Silveira Nogueira possui graduação em Eng. Agronômica pela UFV, mestrado em Ciências Agrárias pela UFV e doutorado em Genética e Biologia Molecular pela UNICAMP. Pós-doutoramento em Genética molecular de plantas no Cold Spring Harbor Laboratory (EUA). Fabienne Antunes Ferreira é docente de Microbiologia e corresponsável pelo Lab. de Genética Molecular de Bactérias (GeMbac) no Depto. de Microbiologia, Imunologia e Parasitologiada UFSC. Graduou-se em Microbiologia pela UFRJ e realizou o mestrado e doutorado em Ciências (microbiologia) pela mesma instituição. Fernando A. Gonzales-Zubiate é biólogo pela Universidad Federico Villarreal, Lima, Peru; mestrado e doutorado em Bioquímica e Biologia Molecular pela USP; pós-doutorados pela UCLA (EUA); pela Aarhus University (Dinamarca). É pós-doutorando no Depto. de Bioquímica, IQ da USP. Flávia Cristina de Paula Freitas é bióloga formada pela FFCLRP-USP. Fez Mestrado e Doutorado em Genética pela FMRP-USP. Realizou pós-doutorado no Center for non-coding RNA in Technology and Health na Universidade de Copenhagen (Dinamarca). Atualmente realiza pós-doutoramento pela FMRP-USP. Flávia Sacilotto Donaires é graduada em Informática Biomédica pela USP, mestre e doutora em Genética pela FMRP-USP. Atualmente é pós-doutoranda da FMRP-USP. Flávio Augusto Vicente Seixas é professor Associado do Depto. de Bioquímica da UEM. Graduado em Biologia pela UNESP de São José do Rio Preto, Mestrado em Física e Doutorado em Biofísica Molecular, ambos pela mesma instituição. Francis Morais Franco Nunes é professor adjunto III do Depto. de Genética e Evolução do CCBS da UFSCar. Biólogo pela UFU, Mestre e Doutor em Genética pela USP e Pós-Doutorado em Genética pela USP/Arizona State University. Franceli Rodrigues Kulcheski é professora adjunta no Depto. de Biologia Celular, Embriologia e Genética da UFSC. Possui Doutorado e Pós-doutorado em Biologia Celular e Molecular pela UFRGS com período sanduíche no Max Planck Institute for Developmental Biology, Tübingen (Alemanha). Gabriel José De Carli é bacharel em Ciências Biológicas pela FFCLRP-USP. Atualmente é aluno de Mestrado no Programa de Pós-Graduação em Genética da FMRP-USP.

Gabriela Molinari Roberto é bióloga formada na USP em Ribeirão Preto e atualmente mestranda pelo programa de pós-graduação em Oncologia Clínica, Terapia Celular e Células Tronco da mesma instituição. Graciely Gomes Corrêa é biomédica pelo Centro Universitário Maurício de Nassau e possui MBA em Gestão em Saúde pela mesma Instituição. É Mestre em Biotecnologia Industrial pela UFPE. Atualmente, é doutoranda do Programa de Pós-graduação em Biociências e Biotecnologia Aplicadas à Farmácia da UNESP – Araraquara/SP. Greice Lubini é doutora e mestra em Ciências, na área de Genética, pela FMRP-USP. É Bacharel em Ciências Biológicas pela UFSM. Isabela Ichihara de Barros é doutoranda em Ciências (Genética) pela USP de Ribeirão Preto. É bacharela em Ciências Biológicas pela UFBA e possui mestrado em Ciências (Genética) pela USP de Ribeirão Preto. Ivan de Godoy Maia possui graduação em Agronomia pela UNESP, mestrado em Agronomia (Entomologia Agrícola) pela UNESP e doutorado em Biologia Celular e Molecular de Plantas - Université de Paris XI (Paris-Sud). Atualmente é professor adjunto do Depto. de Genética do IBB da UNESP. Julio Cesar Cetrulo Lorenzi é pós-doutorando no laboratório de Imunologia Molecular na Rockefeller University (EUA). Biólogo formado pela Unifal-MG, com Mestrado em Imunologia Básica e Aplicada e Doutorado em Genética ambos pela FMRP-USP. Letícia Rocha Da Silva possui graduação em Ciências Biológicas pela UNIFESP e mestrado pelo Programa de Pós-Graduação em Biologia Estrutural e Funcional pela mesma instituição. Liliane Santana Oliveira é bacharel em Ciência da Computação pela UFS e mestre em Ciência da Computação pela USP. Atualmente faz doutorado pelo programa Interunidades em Bioinformática pela USP. Luana Bataglia é bacharel em Biotecnologia pela UFSCar e atualmente é mestranda pelo Programa de Pós-Graduação em Genética da FMRP-USP. Marcela de Oliveira Silva é bióloga pela USP em Ribeirão Preto e atualmente mestranda pelo Programa de Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular e Bioagentes Patogênicos da mesma instituição. Marcelo Eiras é Pesquisador Científico VI do Lab. de Fitovirologia e Fisiopatologia, Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Sanidade Vegetal, Instituto Biológico. Engenheiro Agrônomo pela ESALQ-USP, Mestrado em Fitopatologia pela UnB e Doutorado em Agronomia (Fitopatologia) pela ESALQ-USP. Realizou Pós-Doutorado no IBMCP na Universidade Politécnica de Valencia (Espanha). Maria Aparecida Fernandez é professora Titular do Depto. de Biotecnologia, Genética e Biologia Celular da UEM. Graduada em Ciências Biológicas (Modalidade Médica) pela FMRP-USP. Mestrado e Doutorado em Morfologia-Biologia Celular pela mesma Instituição. Pós-doutoramento em Genética Molecular no Institut Pasteur e no Institut Curie (França). María Sol Brassesco Annichini é docente de Genética na FFCLRP-USP. Geneticista pela UNaM (Argentina). Possui Mestrado e Doutorado em Genética pela FMRP-USP, e pósdoutorado em Oncologia Pediátrica pela mesma instituição.

Maria Teresa Marques Novo Mansur é Professora Associada do Depto. de Genética e Evolução do CCBS da UFSCar. Graduada em Química e em Farmácia-Bioquímica, ambas pela UNESP, com Mestrado e Doutorado em Genética e Biologia Molecular pela UNICAMP e Pós-Doutorado em Genômica e Proteômica pela UNESP. Milca Rachel da Costa Ribeiro Lins é bacharel em Biomedicina formada pela UFPE, possui Mestrado em Biotecnologia Industrial pela mesma instituição. Atualmente, é doutoranda em Biociências e Biotecnologia Aplicadas à Farmácia na UNESP. Nureyev Ferreira Rodrigues é doutorando em Genética e Biologia Molecular pela UFRGS. Licenciado em Ciências com Habilitação em Biologia pela UFCG e mestre em Biologia Celular e Molecular pela UFPB. Patricia Pereira Coltri é professora no Depto. de Biologia Celular e do Desenvolvimento do ICB-USP. Bióloga pela UNICAMP, possui Mestrado e Doutorado em Genética e Biologia Molecular pela UNICAMP. Realizou pós-doutorado no Center for Molecular Biology of RNA, University of California, Santa Cruz (EUA) e no Depto. de Bioquímica na USP. Patricia Severino é pesquisadora do Instituto Israelita de Ensino Albert Einstein – Hospital Albert Einstein. Possui Mestrado e Doutorado em Biotecnologia pelo Programa Interunidades em Biotecnologia USP/IPT/Butantan, com período sanduiche no Instituto Pasteur – França. Pedro Boscariol Ferreira é doutorando do Programa de Pós-Graduação em Genética da FMRP-USP, onde obteve seu título de mestre. Bacharel e licenciado em Ciências Biológicas na FFCLRP-USP. Quirino Alves de Lima Neto realiza pós-doutorado na UEM. Graduado em Farmácia/ Bioquímica pela UNIOESTE. Mestrado e Doutorado pelo Programa de Pós-Graduação em Ciências Biológicas, área de concentração Biologia Celular e Molecular da UEM. Ricardo Ruiz Mazzon é professor adjunto do Depto. de Microbiologia, Imunologia e Parasitologia do CCB da UFSC e corresponsável pelo Lab. de Genética Molecular de Microrganismos. Bacharel e licenciado em Ciências Biológicas pela USP, Doutorado em Microbiologia pela USP com período sanduíche na Rutgers University (EUA) e Pós-doutorado pela USP. Rodrigo do Tocantins Calado De Saloma Rodrigues é médico pela FMRP-USP. Fez doutorado em Clínica Médica nessa instituição e pós-doutorado nos National Institutes of Health (EUA), onde também foi Staff Scientist do Hematology Branch. Atualmente é Professor Associado do Depto. de Clínica Médica. É membro afiliado da Academia Brasileira de Ciências. Rosiane Aparecida da Silva Pereira é Pesquisadora Titular do Centro de Pesquisas René Rachou – FIOCRUZ/MG. Bacharela em Ciências Biológicas pela UFMG, com Mestrado e Doutorado pelo Curso de Pós-Graduação em Bioquímica e Imunologia do ICB da UFMG. Possui Pós-doutorado em Bioquímica e Biologia Molecular pela mesma instituição. Sandra Marisa Mathioni, Engenheira Agrônoma formada pela UFSC, mestre em Genética e Melhoramento de Plantas pela ESALQ-USP e doutora em Fitopatologia Molecular pela University of Delaware (EUA), é pesquisadora (Postdoctoral Scientist) no Donald Danforth Plant Science Center (EUA).

Sávio Torres de Farias possui graduação em Ciências Biológicas pela UFPB, mestrado em Genética pela UFPB e doutorado em Genética pela UFMG. Atualmente é professor Associado I da UFPB, membro da Academia Ibero-americana de Biologia Evolutiva e professor visitante na Universidad Nacional Autonoma de México. Vem desenvolvendo trabalhos sobre origem do sistema biológico, com ênfase na organização biológica do Último Ancestral Universal Comum. Taiza Stumpp Teixeira é Bióloga, realizou mestrado e doutorado na área de Biologia da Reprodução Masculina na EPM/UNIFESP e pós-doutorado em Genética Humana no IGMM - University of Edinburgh (Reino Unido). Atualmente, é Professora Associada do Depto. de Morfologia e Genética, Lab. de Biologia da Reprodução e do Desenvolvimento (LabReD) da EPM/UNIFESP. Tiago Campos Pereira é docente de Genética da USP em Ribeirão Preto. Biólogo pela UNICAMP, com Mestrado e Doutorado em Genética e Biologia Molecular pela mesma instituição. Realizou seu pós-doutorado em Biotecnologia pela Universidade de Cambridge (Inglaterra). É editor-chefe de livros da Sociedade Brasileira de Genética. Vinícius Marquioni Monteiro é bacharel em Biotecnologia pela UFSCar. Atualmente é aluno de mestrado pelo PPGGEv da UFSCar. Zilá Luz Paulino Simões possui graduação em Genética pela USP, mestrado e doutorado em Ciências Biológicas (Genética) pela USP. Atualmente é professor assistente doutor da USP. Tem experiência na área de Genética, com ênfase em Genética Animal.

Lista de símbolos

P: isótopo 32 do elemento Fósforo.

A: adenina. BrU: bromo-uridina. C: citosina. G: guanina. Gy (Giga years): bilhões de anos. H3K27: lisina da posição 27 da subunidade H3 da histona. H3K27ac: acetilação da lisina 27 da subunidade H3 da histona. H3K27me: monometilação da lisina da posição 27 da subunidade H3 da histona. H3K27me3: trimetilação da lisina da posição 27 da subunidade H3 da histona. H3K9me: monometilação da lisina da posição 9 da subunidade H3 da histona. H3K9me2/3: bi- e trimetilação da lisina da posição 9 da subunidade H3 da histona. kb: 1.000 pares de bases. Kd: constante de dissociação. m5C: 5-metilcitidina. m6A: N6-metiladenosina. m7G: 7-metil guanosina trifosfato. MB: megabases (106 bases). MDa: megadaltons (106 Daltons). pb: par(es) de bases. pg: picograma (10-12 grama). pl.: plural. Pu: purina (adenina ou guanina). Py: pirimidina (timina ou citosina). R: adenina ou guanina. S (Svedberg): coeficiente de sedimentação (e.g. 30S, 18S). S: citosina ou guanina. T: timina. U: uracila. Y: citosina ou timina. Ψ: pseudouridina.

Lista de siglas, acrônimos & abreviaturas 1D-eRNAs (1 Direction - enhancer RNAs): RNAs derivados de transcrição unidirecional do enhancer. 2D-eRNAs (2 Directions - enhancer RNAs): RNAs derivados de transcrição bidirecional do enhancer. 3´CCA tRF: fragmento derivado da extremidade 3´ do tRNA maduro. 3´U tRF: fragmento derivado do precursor do tRNA. 5´tRF (5´-tRF): fragmento derivado da extremidade 5´ do tRNA maduro. AGO (argonaute): proteína Argonauta. ANG: angiogenina. aRNA (aberrant RNA): RNA aberrante. ASO (antisense oligodeoxynucleotide): oligodesoxinucleotídeo antissenso. aTASR (antisense Termini-Associated Short RNA): pequeno RNA antissenso associado à terminação. CAGE (Cap Analysis of Gene Expression): análise da expressão gênica via cap. casiRNA (cis-acting small interfering RNA): pequeno RNA de interferência de ação em cis. CCR (Conserved Central Region): região central conservada. cDNA (complementary DNA): DNA complementar. ceRNA (competing endogenous RNA): RNA endógeno competidor. circRNA (circular RNA): uma classe de RNA circular. ciRNA (circular intronic RNA): RNA intrônico circular. crRNA: (crispr-RNA): RNA associado ao locus CRISPR. DCL (dicer-like): semelhante à enzima Dicer. DDR (DNA Damage Response): resposta ao dano no DNA. DDRNA (DICER- or DROSHA-dependent RNA): RNA dependente de Dicer ou de Drosha. DdRP (DNA-dependent RNA Polymerase): RNA polimerase dependente de DNA. ddTTP (2´,3´-dideoxythymidine 5´-triphosphate): 2´,3´-didesoxitimidina 5´-trifosfato. diRNA (double-strand break -induced RNA): RNA induzido pela quebra de dupla fita do DNA. DNA (deoxyribonucleic acid): ácido desoxirribonucleico. DSB (Double-Strand Break): quebra de dupla fita. dsRNA (double-stranded RNA): RNA de dupla fita. easiRNA (transposon-derived epigenetically activated small interfering RNA): pequeno RNA de interferência ativado epigeneticamente e derivado de transposon. elncRNA (enhancer-like lncRNA): RNA longo não codificante semelhante a um acentuador.

Prefácio Tiago Campos Pereira

elo menos desde a década de 1980, temos notado uma forte agitação no mar da Ciência: os RNAs não codificantes e seus papéis na célula. No início, muitos pensaram que se tratavam apenas de ondas (ribozimas, depois os miRNAs), mas, quase quatro décadas depois, indagamo-nos se estamos diante de um verdadeiro tsunami (PASRs, tRFs, lncRNAs, circRNAs, tiRNAs, uaRNAs etc.). Sim, um tsunami com potencial de mudar o rumo da Biologia. As impressionantes descobertas envolvendo RNAs catalíticos desencadearam uma nova hipótese sobre a origem da vida, conhecida como o Mundo do RNA, na qual o RNA agora é posicionado no centro do palco. Mais recentemente, a observação de uma pletora de pequenos e longos ncRNAs, com atribuições estruturais, de guia, regulação e diversas outras, nos faz repensar sobre quem está na gênese e no controle da vida celular.

Na intenção de apresentar uma visão panorâmica do status quo dos ncRNAs, idealizamos um compêndio composto por textos objetivos, imagens e tabelas extensas e detalhadas. Para isso, um novo grupo de colaboradores foi estabelecido ao longo de seis meses, trabalhando diligentemente para tornar esta obra possível. Devido ao imenso número de classes de ncRNAs, seria inadequado adentrarmos profundamente em cada uma delas. Não obstante, tentaremos apresentar uma visão integradora com as informações mais recentes. Esta obra é o quarto volume de uma série intitulada “Introdução a...”, organizada por mim, que objetiva apresentar, de maneira simples e clara, as técnicas e os tópicos recentes da Genética e Biologia Molecular aos alunos e pesquisadores brasileiros. Os três primeiros volumes - Introdução à técnica de Interferência por RNA - RNAi (2013), “Introdução ao mundo dos microRNAs” (2015) e “Introdução à técnica de CRISPR” (2016) – têm sido bem recebidos pela comunidade acadêmica, estando disponíveis na livraria virtual da Sociedade Brasileira de Genética (https://www.sbg.org.br/livraria-sbg). Registro aqui meus agradecimentos a todos que auxiliaram direta e indiretamente na produção desta obra (autores, colaboradores, revisores e parceiros), às agências de fomento CNPq, CAPES, FAPESP e Fundações de Amparo à Pesquisa dos Estados de todos os autores, por fornecerem todo o arcabouço necessário para a elaboração deste livro. Em especial, agradeço aos meus pais, por me proporcionarem um ambiente de amor e segurança que me permitiu trilhar firme pelo caminho da vida.

Prefácio

Sumário

Capítulo I.

Capítulo II.

Introdução Seção 1.

A hipótese do mundo do RNA e suas relíquias no âmago da vida. . . . . . . . 20

Seção 2.

O RNA mensageiro (mRNA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Seção 3.

Visão geral dos ncRNAs na célula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Classes de non-coding RNAs Seção 1.

RNA ribosomal (rRNA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Seção 2.

RNA transportador (tRNA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Seção 3.

Primers de RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Seção 4.

TERC - O componente de RNA da telomerase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Seção 5.

snRNAs (small nuclear RNAs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Seção 6.

snoRNAs (small nucleolar RNAs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Seção 7.

siRNAs (small interfering RNAs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Seção 8.

MicroRNAs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Seção 9.

ncRNAs genômicos e parasitas: viroides, virusoides e RNAs satélites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Seção 10. Ribozimas: os RNAs catalíticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Seção 11. RNAs guias (gRNAs) que atuam na edição de RNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Seção 12. crRNA, tracrRNA e gRNA: RNAs do sistema CRISPR-Cas. . . . . . . . . . . . . . . . 80 Seção 13. Riboswitches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Seção 14. 7SK: um scaffold para controle transcricional da expressão gênica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Seção 15. eRNAs (enhancer RNAs) e uaRNAs (upstream antisense RNAs). . . . . . . . . . 92 Seção 16. lncRNAs - RNAs longos não codificantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Seção 17. PiRNAs (PIWI-Interacting RNAs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Seção 18. qiRNAs e diRNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Seção 19. phasiRNAs (phased, secondary, small interfering RNAs). . . . . . . . . . . . . . . 143 Seção 20. Fragmentos derivados de tRNAs (tRFs e tiRNAs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Seção 21. Termini-Associated Short RNAs (TASRs) e antisense Termini-Associated Short RNAs (aTASRs) . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Seção 22. RNAs associados a regiões promotoras: PASRs, tiRNAs e STARs. . . . . . . . 158 Seção 23. SmY RNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Seção 24. Y RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Seção 25. SL RNA (Spliced Leader RNA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Seção 26. ncRNAs derivados de pseudogenes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Seção 27. 7SL RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Seção 28. Vault RNAs (vtRNAs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Seção 29. ncRNAs bifuncionais: SgrS RNA e RNAIII. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Seção 30. circRNAs: uma classe de RNAs circulares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Seção 31. RNAs artificiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

Capítulo III.

Aspectos finais Seção 1.

Os papéis de ncRNAs na epigenética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Seção 2.

A estrutura das revoluções científicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Glossário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Índice remissivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

A hipótese do mundo do RNA e suas relíquias no âmago da vida

Capítulo I Seção 1

Prof. Dr. Sávio Torres de Farias1 e Prof. Dr. Tiago Campos Pereira2,3 Depto. de Biologia Molecular, UFPB, Brasil. Depto. de Biologia, FFCLRP - USP, Brasil. 3 PPG em Genética, FMRP - USP, Brasil. 1 2

Until recently, when one thought of the varied molecular processes at the origin of life, one imagined that the first self-replicating systems consisted of both RNA and protein. (…) One can (now) contemplate an RNA world, containing only RNA molecules that serve to catalyse the synthesis of themselves. Walter Gilbert, 1986 [1].

A origem da vida

Uma das mais importantes perguntas na Ciência se refere à origem da vida na Terra. Quando e como surgiram as primeiras entidades autorreplicantes? Quais foram os eventos de transição iniciados em elementos químicos, passando por moléculas com determinadas características especiais, agregados biomoleculares, até células que são capazes de se multiplicar e organismos multicelulares complexos? Aos poucos, os cientistas começam a desvendar esses mistérios, levantando dados que nos auxiliam a compreender como chegamos até aqui. O modelo mais aceito, atualmente, pela Ciência propõe que o Universo teve seu início há ∼13,8 bilhões de anos (Gy) com o Big Bang, seguido por um período denominado Inflacionário, em que o espaço-tempo se expandiu rápida e exponencialmente. O longo processo de evolução cosmológica resultou, entre diversas outras estruturas, na formação de nosso Sistema Solar há ∼4,5 Gy. As mais antigas evidências de atividade biológica de que temos conhecimento até o momento datam de 4,1 Gy [2], sugerindo que a vida teria se iniciado rapidamente em nosso planeta, pouco tempo após sua formação. Assim, em algum momento por volta de 4 bilhões de anos atrás, as primeiras formas de vida teriam surgido, sobre as quais o processo de evolução darwiniana atuaria, resultando em um magnífico espetáculo de biodiversidade por nós hoje contemplado.

A evolução química

Mas como as primeiras células surgiram? Como um sistema tão engendrado, com partes intrinsicamente interdependentes, originou-se? Um dos modelos mais aceitos propõe que os oceanos da Terra primitiva constituíram um cenário favorável para ensaios da natureza, em que moléculas simples eram criadas e quebradas aleatoriamente por diversas forças

Introdução ao universo dos non-coding RNAs

ambientais – luz ultravioleta, descargas elétricas, variações de temperatura e de pH etc. Assim, essa química prebiótica teria convertido os oceanos em uma sopa primordial, contendo moléculas cada vez mais maiores (por exemplo, aminoácidos simples, entre outros), como hipotetizado por Alexander Oparin e John B.S. Haldane e, posteriormente, testado por Stanley Miller e Harold Urey. Eventualmente, algumas dessas moléculas apresentariam capacidade de armazenamento de informação, ao passo que outras teriam atividade catalítica. Acidentalmente, teria emergido uma primeira molécula capaz de realizar ambas as funções. Especula-se que um possível candidato seria uma molécula quimicamente próxima ao RNA, mas cuja síntese fosse mais favorável de ocorrer espontaneamente na natureza: o TNA (threose nucleic acid) ou o PNA (peptide nucleic acid) [3]. Dessa forma, tal molécula seria capaz de reter informações biológicas, assim como de promover a sua replicação, constituindo a primeira entidade autorreplicante, isto é, uma forma extremamente simples de ‘vida molecular’. Eventualmente, uma forma variante dessa molécula seria capaz de replicar outros TNAs/PNAs, cujas ações distintas seriam favoráveis ao TNA/PNA autorreplicante. Assim, um sistema mais complexo, envolvendo diferentes moléculas atuando cooperativamente, teria se formado. Em algum momento, esse sistema foi compartimentalizado, favorecendo a replicação por manter próximos esses componentes de ação colaborativa, assim como os protegendo de outras eventuais ‘moléculas parasitas’. Essa compartimentalização teria sido promovida por moléculas de natureza anfipática, tais como os fosfolipídeos constituintes de nossa membrana celular. Esse período é chamado de mundo pré-RNA [3].

O mundo do RNA

Outro grande salto nessa jornada foi a transição dessas moléculas iniciais para o RNA. Nesse novo momento, ainda da era pré-celular, os sistemas teriam sua informação e catálise mediada pelo RNA. Essa época, marcada pelo papel central do RNA como agente de armazenamento e de catálise, constitui o mundo do RNA. Essa hipótese ganhou destaque após a descoberta, no início da década de 1980, de que RNAs endógenos são capazes de atividade catalíticas: as ribozimas, descobertas pelos grupos de Thomas Robert Cech [4] e Sidney Altman [5]. Até então, o RNA era visto como uma molécula apenas com capacidade de armazenamento, não de catálise. Durante o mundo do RNA, emergiram uma grande diversificação funcional e uma integração de sinais (uma forma simples de metabolismo); essa época seria marcada por sistemas de RNA compartimentalizados e integrados, equivalentes a uma ‘(pré-)célula de RNA’.

A era celular e as relíquias de RNA no âmago da vida

Os próximos grandes saltos envolveriam a síntese de proteínas (que então atuariam como os principais catalizadores) e, posteriormente, a transição de RNA para DNA (que ocuparia o papel de armazenador da informação biológica). Chegaríamos, assim, à era celular, apresentando configurações conforme conhecemos hoje. Essas transições teriam provido grande vantagem adaptativa, uma vez que as proteínas são muito mais versáteis estrutural e funcionalmente que o RNA (4 bases versus 20 tipos de aminoácidos). Adicionalmente, o DNA

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