Guia do Professor para Exercícios de Clustering Anastasios Koutsos Alexandra Manaia Julia Willingale-Theune Versão 2.3 Versão Portuguesa ELLS European Learning Laboratory for the Life Sciences
Anastasios Koutsos, Alexandra Manaia e Julia Willingale-Theune Guia do Professor para Exercícios de Clustering Versão 2.3
Guia do Professor para Exercícios de Clustering Nesta secção vai precisar de certo número de lanternas verdes e vermelhas. Neste quadro encontra o número de lanternas de cada tipo de que necessita: Gene Verde Vermelho (situação controlo) (situação teste) james watson 0 0 francis crick 9 9 rosalind franklin 1 1 maurice wilkins 3 3 thomas morgan 4 8 alexander fleming 0 3 barbara mcclintock 1 6 john kendrew 2 1 jacques monod 4 0 leo szilard 9 3 Total 33 34 Agora é preciso pensar nas possibilidades de organizar estes genes em grupos- clusters. Por exemplo, podemos agrupar os genes que tenham mais lanternas verdes, mais lanternas vermelhas e igual número de lanternas verdes e vermelhas.. Os genes com mais lanternas vermelhas são os activados ( up regulated ) na situação teste. E com mais lanternas verdes são os genes reprimidos ( down regulated ) na situação teste. O agrupamento dos genes em clusters poderia fazer-se deste modo: 3
Guia do Professor para Exercícios de Clustering. Cluster (Grupo) Genes Verde Vermelho Regulação Comparando a situação teste com a situação controlo 1 james watson 0 0 idêntica francis crick 9 9 idêntica rosaslind franklin 1 1 idêntica maurice wilkins 3 3 idêntica 2 thomas morgan 4 8 2 x activação (up-regulation) barbara mcclintock 1 6 6 x activação (up-regulation) 3 jacques monod 4 0 desaparecendo alexander fleming 0 3 aparecendo 4 leo szilard 9 3 3 X repressão (down regulation) john kendrew 2 1 2X repressão (down regulation) Pensemos agora nas características que estes genes têm em comum. Todos os genes têm nomes de cientistas conhecidos por terem feito descobertas relevantes no campo da biologia. Aconselhamos a pesquisa de informação sobre estes cientistas tentando identificar o que têm em comum. Quase todos receberam o prémio Nobel de Medicina e Fisiologia. Um bom ponto de partida para a pesquisa na internet é o website da Fundação Nobel (http:// www.nobel.se) que fornece informação sobre os laureados e as suas descobertas. Aqui encontrará também informação sobre aspectos da vida e da carreira destes cientistas, artigos, webcasts e actividades educativas que pode utilizar na escola. Analisemos o Cluster 1. É formado por 4 genes (james watson, francis crick, maurice wilkins e rosalind franklin), que contêm quantidades iguais de marn nas células teste (vermelho) e controlo (verde). Provavelmente sabe que James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins e Rosalind Franklin contribuiram para a descoberta da estrutura da dupla hélice de ADN e para a compreensão do processo através do qual o ADN guarda informação genética na sua sequência de nucleótidos. James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins receberam o prémio Nobel de Medicina em 1962. Infelizmente, o papel do trabalho de Rosalind Franklin nesta descoberta só 4
Guia do Professor para Exercícios de Clustering. começou a ser suficientemente reconhecido após a sua morte. O Cluster 2 é formado por dois genes que são ambos activados ( up regulated ). Thomas Morgan foi um cientista pioneiro no uso da mosca da fruta (Drosophila melanogaster), como organismo-modelo. A mosca da fruta é ainda hoje um dos organismos-modelo mais utilizados pelos cientistas. Morgan recebeu o prémio Nobel de Medicina e Fisiologia em 1933. Barbara McClintock recebeu o prémio Nobel em 1983 pela descoberta de elementos genéticos móveis no milho, os transposões, porções de ADN que se movem de uma região do genoma para outra. O Cluster 3 é formado por dois genes que contêm exclusivamente lanternas de uma única cor- só estão activos na situação de teste ou de controlo, mas nunca em ambas. Alexander Fleming recebeu o prémio Nobel de Medicina e Fisiologia em 1945 pela descoberta da penicilina. Jacques Monod recebeu o prémio Nobel em 1965 por uma série de estudos bioquímicos com enzimas. Aqui o denominador comum é o facto de ambos terem realizado investigação em microrganismos. O Cluster 4 é formado por dois genes que estão reprimidos ( down regulated ). Este cluster é um bocado mais difícil de decifrar. Leo Szilárd foi um físico que participou na descoberta da energia nuclear. Szilárd foi também um dos cientistas que mais lutou contra o uso da energia nuclear para fins bélicos. Progressivamente, o seu interesse mudou da física para a biologia. Em 1962, Leo Szilárd, Victor F Weisskopf, James Watson e John Kendrew encontraram-se em Genebra para discutir a criação de um laboratório internacional de biologia molecular. A Organização Europeia de Biologia Molécular (EMBO) foi fundada em 1963 e o Laboratório Europeu de Biologia Molecular (EMBL) foi criado em 1974. John Kendrew, além de ter ganho o prémio Nobel da Química em 1962, pela obtenção da primeira estrutura cristalina de uma proteína, foi o primeiro Director Geral do EMBL. Através deste exemplo, vemos que o comportamento semelhante (activação/upregulation; repressão/downregulation) dos genes (cientistas) traduz por vezes a partilha de aspectos funcionais. Por exemplo no Cluster 1 todos trabalham na descoberta da estrutura do ADN; no cluster 2 são ambos geneticistas; no cluster 3 trabalham com microrganismos e a relação entre Leo Szilárd, e John Kendrew é o EMBL! No entanto, aquando da interpretação de resultados dos microarrays, é preciso cautela. Por vezes, os genes que estão no mesmo cluster podem não partilhar aspectos funcionais. Isto pode ter a ver tanto com os genes em si como com os critérios que presidiram à formação dos clusters. Por exemplo, os seus alunos 5
Guia do Professor para Exercícios de Clustering. podem ter feito um clustering (agrupamento) como o que apresentamos na tabela abaixo: Cluster (Grupo) Genes Verde Vermelho Resultado A james watson 0 0 Sem regulação francis crick 9 9 Sem regulação rosaslind franklin 1 1 Sem regulação maurice wilkins 3 3 Sem regulação B thomas morgan 4 8 2 x activação (up-regulation) barbara mcclintock 1 6 6 x activação (up-regulation) alexander fleming 0 3 Activação (up regulation) C leo szilard 9 3 3 X repressão (down regulation) john kendrew 2 1 2X repressão (down regulation) jacques monod 4 0 Repressão (down regulation) 6
Agradecimentos Gostaríamos de agradecer a todos os que contribuíram para a elaboração desta actividade: - Ao Udo Ringeisen e a toda a equipa do Departamento de Fotografia do EMBL (EMBL Photolab), pela impressão dos tapetes do microarray em tecido, (para demonstração em cursos ou festivais de ciência) e pela produção da versão em plástico, (para utilização na sala de aula); - Ao Thomas Sandmann, na altura estudante de doutoramento no EMBL-Heidelberg, por várias discussões e sugestões muito úteis e também por nos ter chamado a atenção para o excelente material sobre microarrays intitulado Snapshots of Science and Medicine, produzido pelo NIH Office of Science Education, em conjunto com o Office of Research on Women s Health ; - Ao Russ Hodge, na altura, no Departamento de Comunicação e Relações Públicas do EMBL-Heidelberg ( Office of Information and Public Affairs [OIPA]), bem como a toda equipa do European Learning Laboratory for the Life Sciences [ELLS], por muitas discussões, sugestões e apoio; - A Giovanni Frazzetto, Mehrnoosh Rayner e Vassiliki Koumandou por terem lido a primeira versão desta actividade e por terem contribuído para melhorá-la com as suas ideias e comentários. - A vários amigos e colegas do EMBL-Heidelberg com quem partilhámos ideias, entusiasmo e dúvidas; - Os Exercícios para a sala de aula foram adaptados do material sobre microarrays intitulado Snapshots of Science and Medicine, produzido pelo NIH Office of Science Education. Pode ser encontrado no seguinte website: science-education.nih.gov/snapshots; Imagem de capa por André-Pierre Olivier; Traduzido por Alexandra Manaia; Editado por Corinne Kox e Sonia Furtado.
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