Citogenética e aberrações cromossômicas - ib.usp.br · Idiograma humano mostrando padrões de bandas G. Cromossomossexuaisemmamíferos Cromossomos sexuais heteromórficos Regiões

Camilla Bruno Di NizoBIO0230: Genética e Evolução

2015

Citogenética e aberrações cromossômicas

Citogenética - definição• Todo e qualquer estudo relativo ao cromossomo

Cromossomos metafásicos mitóticos

Foto: Camilla B. Di Nizo

Morfologia dos cromossomos metafásicos

Cromátides-irmãs

Centrômero

Constrição secundária

Telômeros

Telômeros

Centrômero• Região menos condensada • Liga as cromátides irmãs, divide o cromossomo em braços

Centrômero• Sítio de ligação do cinetócoro, onde se ligam as fibras do fuso• Cinetócoro: complexo multiproteico

Sumner, 2003

CentrômeroMonocêntricas

Cromossomo anafásico monocêntrico

Guerra, 1988

CentrômeroHolocêntricos• Atividade centromérica difusa ou grande número de

centrômeros ao longo do cromossomo• Vários cinetócoros ou uma única placa ao longo de toda a

extensão da cromátide• Migração paralela na anáfase• Exemplos: Alguns protozoários, algas, algumas ordens de

insetos e plantas

Cromossomos anafásicos holocêntricos com vários cinetócoros (esquerda) ou com umaúnica placa cinetocórica (direita) Guerra, 1988

CentrômeroDicêntricos• Raros – rapidamente eliminados• Inativação do centrômero extra ou mecanismo de

coorientação dos centrômeros

Metáfase mostrando um cromossomo dicêntrico


Cromátides-irmãs

Centrômero


Telômeros

Telômeros

Constrição secundária• Durante a prófase: associados ao nucléolo (RON)• Sítios dos genes que produzem RNA ribossômico, que

constituirão grande parte do nucléolo• Nem sempre visíveis em coloração comum – nitrato de prata

a)Metáfase do roedor Thrichomys apereoidesem col. comum

b)Metáfase do roedor Akodon montensis coradocom nitrato de prata

Fotos: Camilla B. Di Nizo


Cromátides-irmãs

Centrômero


Telômeros

Telômeros

Telômeros• Não se distingue morfologicamente• Extremidade livre do cromossomo• Várias cópias do hexanucleotídeo TTAGGG• Conservada entre diferentes organismos

Espécie Sequência TamanhoTrypanosoma TTAGGG 36pbClamydomonas TTTTAGGG 4-9kbCaenorhabditis TTAGGC 4-9kbXenopus TTAGGG 10–50kbCamundongo TTAGGG 10-60kbHomem TTAGGG 5–15kb

Tabela mostrando a sequência telomérica e seu tamanho emdiferentes espécies

Sumner, 2003

Telômeros - funções• Manutenção da integridade estrutural do cromossomo –

impede que os cromossomos se liguem entre si• Assegura a duplicação completa das extremidades dos

cromossomos

Remoção do primer RNA leva aum encurtamento do cromossomoapós cada replicação

Telomerase com umasequência de RNAcomplementar age comomolde. Enzima adicionasequência telomérica nofim do cromossomo

Tamanho do cromossomorestaurado

Obtenção dos cromossomos• Tecidos e órgãos com crescimento e divisão rápida

In vivo1. Medula óssea (vertebrados)2. Baço (mamíferos)3. Intestino (répteis)4. Brânquias (peixes)5. Testículo - meiose

In vitro (cultura celular)1. Leucócitos (Linfócitos T)

+ análise rápida- vida curta

2. Fibroblastos + cultura permanente- mais invasivo

Preparação de medula óssea e baço Cultura de fibroblasto Fotos: Camilla B. Di Nizo

Obtenção dos cromossomos

Acúmulo de células em metáfase

Impede a formação do fuso

1. Colchicina

Obtenção dos cromossomos dispersão dos cromossomos

preservação da estrutura dos cromossomos

2. Hipotônica

3. Fixador

Análise dos cromossomosColoração comum:Cora os cromossomos uniformementeEstabelecimento do número diploide

Metáfase de marsupial Marmosops sp. (2n=14)

Fotos: Camilla B. Di Nizo

Análise dos cromossomosCariotipagem: Representação do conjunto cromossômicoHomólogos emparelhados

Cariótipo humano, 2n=46, XYMetáfase humana, 2n=46, XY

Análise dos cromossomosColoração comum

2n=10???

???

Silva e Yonenaga-Yassuda, 1998

Análise dos cromossomosColoração comum

2n=10


Análise dos cromossomos

Importância:• Individualização dos cromossomos• Observação de polimorfismos• Outras colorações diferenciais: Banda R, Banda Q, Nitrato de prata (RON)

Bandas C

Década de 1970: era do bandamento cromossômicoDiferentes tratamentos

Heterocromatina constitutiva Padrão longitudinal - AT

Bandas G


Análise dos cromossomosDécada de 1990: era citogenética molecular

• Localização de sequências específicas nos cromossomos

Análise dos cromossomosSondas: Sequência de DNA complementar, marcada com fluorocromo

Telomérica Centromérica Cromossômica

Silva, 1999; Miller e Therman, 2001; Ferguson-Smith e Trifinov, 2007

Análise dos cromossomosCGH (Comparative Genomic Hybridization): Hibridação GenômicaComparativa

• Objetivo: Detectar ganhos eperdas de regiões genômicas

• Localização de sequenciasem excesso ou ausentes nogenoma tumoral

Caracterização do cariótipoNúmero de cromossomos• Constante na mesma espécie• Variável entre espécies diferentes

Espécie 2n

Manihot esculenta (mandioca) 36

Culex pipiens (pernilongo) 6

Periplaneta americana (barata) 32

Passiflora edulis (maracujá) 18

Didelphis albiventris (gambá) 22

Canis familiares (cachorro) 78

Gallus domesticus (galinha) 78

Metafase e foto de Bothrops jararaca,com 2n=36

Metafase e foto de Cycloramphuscarvalhoi, com 2n=26

Metafase e foto de Homo sapiens, com2n=46

Metáfases cedidas por: Renata Amaro e MJJS

Caracterização do cariótipoTamanho dos cromossomos• Variação gradativa• Variação bimodal (aves e répteis)

Cariótipo de O. fornesi (roedor)Cariótipo de Boa constrictor (jibóia)

Di-Nizo, 2013; Viana, 2015

Caracterização do cariótipoMorfologia dos cromossomos

Caracterização do cariótipo humano• Tjio e Levan (1956): estabelecimento do 2n humano

Metáfase humana, 2n=46, XY

Caracterização do cariótipo humano• Conferência de Denver (1960): Patau – sugestão da organização dos

cromossomos em grupos

Cariótipo humano, 2n=46, XY

cGrupo A

Grupo B

Grupo C

Grupo D Grupo E

Grupo F Grupo G

Como distinguir um cromossomo do outro?

Caracterização do cariótipo humano• Conferência de Paris (1971): sistema de identificação de bandas

cromossômicas

Idiograma humano mostrando padrões de bandas G

Cromossomos sexuais em mamíferosCromossomos sexuais heteromórficos

Regiões onde há recombinação - homólogas

Cromossomo sexual humano

Cromossomo Y• Tamanho pequeno• Heterocromático• Pobre em genes

Cromossomos sexuais em col. comum

Cromossomos sexuais em banda C

Cromossomos sexuais em mamíferosMecanismo de diferenciação sexualCromossomos Y: possui o principal gene desencadeador da sexualidademasculina no início do desenvolvimento embrionário

• Cromossomo Y determina o sexo masculino (não importa quanto

cromossomos X existam) Ex: S. Klinefelter (2n=47, XXY)

• Ausência de Y: determina o sexo feminino. Ex: S. de Turner (2n=45, X)

Citogenética - aplicações• Descrição/ comparação cariótipo das espécies

• Citotaxonomia

Conhecimento da BiodiversidadeKasahara, 1996; Fagundes, 1997

Akodon cursor ou A. montensis?

2n=25

2n=14

2n=36 2n=35Tropidurus gr. torquatus

Citogenética - aplicações• Monitoramento da reprodução de animais de interesse

econômico

• Intercruzamento de espécies – produção de híbridos comcaracterísticas melhoradas

Melhoramento Genético

Grãos maiores Colheita mais fácil Crescimento em condições

adversas

Rearranjo 1/29 em Bos taurus Reduz fertilidade

Kasahara, 2009

Citogenética - aplicações• Correlacionar patologias com alteração cariotípica

• Diagnóstico pré-natal

• Citogenética do câncer

Citogenética clínica

Variação e evolução cromossômica

“Os cromossomos não são estruturas estáveis: em praticamente todas as espécies encontram-se variações cromossômicas que desempenham papel importante na

sua evolução”


1.Numéricas

2. Estruturais

• Poliploidia• Aneuploidia• Cromossomos supernumerários (Bs)

• Deleção• Duplicação• Inversão• Translocação• Isocromossomos• Fusão


1.Numéricas• Poliploidia• Aneuploidia• Cromossomos supernumerários (Bs)

Fáceis de serem observadasEfeito mais drástico para o indivíduo

Variação numérica - Poliploidia• Conjuntos cromossômicos extras • Exemplo: triploide (3n), tetraploide (4n)

Variação numérica - Poliploidia• Raro em animais (distúrbios no mecanismo de determinação

do sexo)• Importante na evolução cromossômica de plantas• Poliploides tendem a ser maiores

triploide

tetraploide

octaploide

Variação numérica - Poliploidia

Autopoliplóide

Alopoliplóide

Várias cópias de um único conjunto cromossômico

Várias cópias de dois ou mais conjuntos cromossômicos

diferentes

Tipos:

Variação numérica - PoliploidiaOrigem• Erros meióticos: formação e fusão de gametas não

reduzidos

• Erros mitóticos: duplicação dos cromossomos duas ou mais

vezes entre as mitoses (endomitose)

Variação numérica - Aneuploidia• Alteração no número básico de cromossomos da espécie

(sem ser um múltiplo exato)

Hiperdiploidia: 2n+1

Hipodiploidia: 2n-1

Variação numérica - AneuploidiaExemplo 1: trissomia do 21 (Síndrome de Down – 2n=47, XX ou XY + 21)

Cariótipo de um homem 2n=47, XY + 21

Variação numérica - AneuploidiaExemplo 1: trissomia do 21 (Síndrome de Down – 2n=47, XX ou XY + 21)

Fenótipo

• Baixa estatura• Retardo mental• Cardiopatia congênita

Incidência: 1 em 800 nascimentos


Variação numérica - Aneuploidia

Essa incidência aumenta com a idade materna

Exemplo 1: trissomia do 21 (Síndrome de Down – 2n=47, XX ou XY + 21)

Idade materna (anos) Incidência

<20 1:2500

20‐25 1:1600

25‐30 1:1200

30‐35 1:850

35‐40 1:300

40‐45 1:100

>45 1:50

Incidência de Síndrome de Down por trissomia livre do 21, segundo a idade materna

Relação entre idade materna e incidência da trissomialivre do 21 ao nascimento e no momento daamniocentese Thompson e Thompson, 2008


Exemplo 2: Trissomia do 13 (Síndrome de Patau – 2n=47, XX ou XY, +13)

Outras doenças humanas produzidas por trissomias:

Cariótipo de uma mulher 2n=47, XX + 13

• Deficiência mental severa• Fissura labial ou palatina• Anomalia cardíaca• Polidactilia

50% morrem no primeiro mês de vida

Incidência: 1 em 6.000 nascimentos


Exemplo 3: Trissomia do 18 (Síndrome de Edward – 2n=47, XX ou XY, +18)

Outras doenças produzidas por trissomias:


• Hipertonia muscular• Atraso psicomotor grave• Micrognatia• Anomalia cardíaca• Mãos fechadas• Tendência sobreposição dos dedos

50% óbitos no segundo mês de vida



Exemplo 4: Síndrome de Klinefelter – 2n=47, XXY

Outras doenças produzidas por aneuploidias:

Cariótipo de um homem 2n=47, XXY

Incidência: 1 em 600 nascimentos

Fenótipo

Variação numérica - AneuploidiaExemplo 5: Monossomia do X (Síndrome de Turner - 2n=45, X)


Cariótipo de uma mulher 2n=45, X Fenótipo

Variação numérica - AneuploidiasCausas• Não disjunção na gametogênese materna ou paterna

Meiose normal

Não-disjunçãoMeiose 1

Gametas com cromossomos

duplicados

Gametas com cromossomos

ausentes

Variação numérica - AneuploidiasCausas• Não disjunção na gametogênese materna ou paterna

Meiose normal

Não-disjunçãoMeiose 2

Gametas com cromossomosduplicados ou

ausentes

Gametas normais

Variação numérica - AneuploidiasCausas• Não disjunção na primeira clivagem do zigoto normal

MosaicoGenomas diferentes em um mesmo indivíduo

Mesma origemThompson e Thompson, 2008

Variação numérica - aneuploidiasConsiderações• A trissomia é mais frequente, provavelmente porque excesso

de genes repetidos é menos deletério que a hemizigose• As aneuploidias dos cromossomos sexuais são mais

frequentes e menos prejudiciais• Nas aneuploidias humanas, o gameta incorretamente

reduzido é mais frequentemente o óvulo

Variação numérica – Cromossomos B• Extras – não estão presentes em 100% da população• 15% dos eucariotos• Varia entre indivíduos da mesma população e entre células do mesmo

indivíduo• Comportamento meiótico irregular• Não sofrem recombinação• Presença de genes

Cariótipo de Characidium gomesi Cariótipo de Blarinomys breviceps Cariótipo de Nectomys rattusSilva, 1994; Ventura et al., 2012; Serrano, 2015


1.Numéricas

2. Estruturais

• Poliploidia• Aneuploidia• Cromossomos supernumerários (Bs)

• Deleção• Duplicação• Inversão• Translocações• Isocromossomos• Fusões

Variação estrutural

• Variações no tamanho dos cromossomos, posição dos centrômeros, quantidade de DNA

• Melhor toleradas pelo organismo

50% dos abortos são devidos à alterações

cromossômicas

47% variações numéricas

3% variações estruturais

Variação estrutural - Deleções• Perda de um pedaço do cromossomo (sem incluir o

centrômero)• Terminal ou intersticial

Variação estrutural - DeleçõesExemplo 6: deleção do braço curto do cromossomo 5 (Síndrome do Cri du Chat – 2n=46, XX ou XY, del 5p)

• Choro semelhante a miado de gato• Microcefalia• Hipertelorismo (olhos afastados)• Micrognatia • Retardo mental

Fenótipo de uma criança afetada

Mapa do fenótipo cariótipo docromossomo 5 humano

Thompson e Thompson, 2008

Variação estrutural - DeleçõesCromossomo em anel:Deleção de ambos os telômeros seguida de fusão dasextremidades

• Não são mantidos por mais de uma geração

• Dificuldades de divisão meiótica• Humanos: associados a patologias

Variação estrutural - DuplicaçõesRepetição de um segmento cromossômico qualquer

Duplicação em tandem

Variação estrutural - DuplicaçõesExemplo 7: Fenótipo “bar” de Drosophila melanogaster

• Duplicação da região do cromossomo X

• Forma ovalada (selvagem)• Forma de barra (duplicado)

Origem das duplicações e deleções• Deleções: quebras e eliminação cromossômica• Deleções/ Duplicações: Pareamento meiótico incorreto,

seguido de permuta desigual

Consequências meióticas das duplicações e deleções

Formação de alças que permite o pareamento de todo ocromossomo

Configuração paquitênica de heterozigotos para deleções e duplicações

Guerra, 1988

Duplicações e deleções

• A carência de um segmento cromossômico é mais prejudicial

que um segmento em excesso

• Duplicações: papel importante na evolução – fonte de

matéria-prima para a formação de novos genes

Variação estrutural - Inversões

Cromossomo é rompido em dois pontos e reorganiza-se deforma invertida

PericêntricaParacêntrica

Inversões: consequências meióticas

• Formação de alça de inversão• Pareamento normal

Inversão: consequências meióticas

Meiose heterozigoto para inversão paracêntrica

Crossing-over na alça de inversão dá origem a gametas com cromossomos acêntricos e dicêntricos

Normal




Com inversão




Dicêntrico

Acêntrico

Inversão: consequências meióticasMeiose heterozigoto para inversão pericêntrica

Crossing-over na alça de inversão dá origem a gametas com duplicações e deleções

Normal



Com inversão



Duplicações e Deleções

Variação estrutural - TranslocaçãoTransferência de um segmento de um cromossomo para outro não homólogo

Recíproca

Simples Não há perda/ ganho de material

genético

Redistribuição

Variação estrutural – Translocação Robertsoniana

Fusão de dois cromossomos acrocêntricos ou telocêntricos pela região do centrômero

+ =

Translocação Robertsoniana ou Fusão cêntrica


Exemplo 8: Translocação 14/21 em cromossomos humanos

Cariótipo de uma mulher com translocaçãorecíproca equilibrada - 45, XX, t(14;21)

Translocação recíproca equilibrada

Fenótipo normal


Exemplo 8: Translocação 14/21 em cromossomos humanos

Cariótipo 2n=46, XX ou XY, rob (14;21)+21

• Alto índice de reincidência Thompson e Thompson, 2008

Consequências meióticas: Translocações

• Pareamento em forma de cruz• Segregação ocorre de 3 maneiras

Snustad e Simmons, 2013

Translocações - consequências meióticas

Disjunção adjacente I• Centrômeros que migram para o mesmo polo

são de cromossomos diferentes• Deficiência e duplicação de genes

Disjunção adjancente II• Centrômeros que migram para o mesmo polo

são homólogos• Deficiência de genes

Disjunção alternada• 100% de gametas viáveis (balanceados)• 50% translocado• 50% normais

Snustad e Simmons, 2013

Variação estrutural – IsocromossomosCromossomos metacêntricos que apresentam os dois braços exatamente iguais com relação ao conteúdo gênico

Origem:• Fusão cêntrica entre homólogos telocêntricos• Quebra do centrômero e fusão entre as cromátides-irmãs

Isocromossomos

Variação estrutural – Fusão em tandemVárias fusões seguidas em um mesmo cromossomo• Importante na evolução cromossômica das espécies• Confere redução do número diploide

Muntjac chinêsMuntiacus reevesi

Muntjac indianoMuntiacus muntjak

• Comparação padrão de BG• FISH sondas cromossomicas 2n= 46 2n =6 ♀; 2n=7 ♂

Variação estrutural – Fusão em tandemVárias fusões seguidas em um mesmo cromossomo• Importante na evolução cromossômica das espécies• Confere redução do número diploide

Muntjac chinêsMuntiacus reevesi

Muntjac indianoMuntiacus muntjak

Fusão em tandem 2n= 46 2n =6 ♀; 2n=7 ♂

Wang e Lan, 2000

Evolução cariotípica

Qual o papel dos rearranjos cromossômicos na evolução das espécies?

• Muito difícil reconhecer se uma determinada alteraçãocromossômica está relacionada à diferenciação dasespécies ou se é apenas uma diferença que seestabeleceu paralela ou posteriormente à separação dasespécies

Evolução cariotípicaVariações transmitidas aos descendentes

Geram os polimorfismos cromossômicos

Polimorfismo cromossômico: duas ou mais formas diferentes para

um mesmo cromossomo

Cariótipo de O. nigripes (roedor) com polimorfismo no par 3

Di-Nizo, 2013

Evolução cariotípica

Alterações cromossômicas podem ter algum efeitoadaptativo ao meio, mesmo quando não causam alteraçõesfenotípicas aparentes

Alterações cromossômicas podem gerar barreirasreprodutivas

Podem transformar uma população em subpopulações,concorrendo para o processo de especiação

Restringe o fluxo gênico entre os indivíduos de uma

população

Obrigada

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