Livro Genetica Final

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Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Alagoas

Departamento de Educação a Distância

Universidade Aberta do Brasil

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Introdução.................................................................................................................... 04

Capítulo 1: Genética de Transmissão: 1ª e 2ª Lei de Mendel.................. 13

Capítulo 2: Genética de Transmissão: Extensões do Mendelismo........ 52

Capítulo 3: Genética de Transmissão: Herança e Sexo.............................. 82

Capítulo 4: Genética de Transmissão: Ligação e Mapas Genéticos.... 100

Capítulo 5: Genética Molecular: Estrutura dos Ácidos Nucleicos...... 118

Capítulo 6: Genética Molecular: Duplicação do DNA............................... 133

Capítulo 7: Genética Molecular: Transcrição.............................................. 140

Capítulo 8: Genética Molecular: Tradução................................................... 147

Capítulo 9: Genética Molecular: Mutação e Mecanismos de Reparo..162

Referências................................................................................................................ 171

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Muitas vezes, ouvimos falar: Fulano é a cara do pai, olha o jeito de andar e

de dormir, não nega que é seu filho... Se observarmos o zigoto, de um animal e

compararmos com outros de espécies diferentes, por exemplo, um camundongo e

nós humanos, veremos que são muito parecidos, porém, as espécies adultas que

surgem daquela única célula são bem diferentes... Nós, organismos multicelulares,

com células fisiológicas e morfológicas tão diferentes, surgimos a partir de uma

única célula... Desde a pré-história nos perguntamos por que nos parecemos com

nossos pais? Como essas características são passadas de pais para filhos? Esse livro

vem com o objetivo de esclarecer essas questões. Estudaremos como os gametas,

células responsáveis pelo processo de reprodução sexuada, contendo os

cromossomos, transferem essas informações para o novo ser, quais os mecanismos

que permitem que essas características sejam passadas, de pais para filhos; em

nível bioquímico, que moléculas são essas? E como elas conseguem essa façanha?

1. OBJETIVOS DA GENÉTICA

A genética é a área da biologia que se preocupa em explicar como as

semelhanças e diferenças entre os seres vivos, e entre os pais e filhos, são

transmitidas de uma geração a outra, ou, em outras palavras, estuda a

hereditariedade ou herança biológica.

Para que ocorra essa transmissão de características, é necessário que o

material hereditário (material genético), ou o material que será transmitido entre

as gerações, seja passado através dos gametas, único elo físico entre as gerações. O

que resulta na formação do zigoto.

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O zigoto é uma única célula resultante da fertilização do gameta feminino e

masculino e carrega toda a informação para a formação do novo ser multicelular

que apresenta: células, tecidos e órgãos distintos, mas que interagem e funcionam

de forma sincronizada e semelhante à geração anterior.

Para que esse material genético possa ser passado de uma geração a outra e

possa regular, na nova geração, todas as etapas do desenvolvimento, é necessário

que ele apresente uma série de propriedades.

1º) Capacidade de replicação: cada nova célula formada no organismo

também leva a informação contida no zigoto. E cada geração, para se

perpetuar, necessita formar um grande número de gametas para passar para

as novas gerações, logo, é necessário que esse material seja capaz de produzir

cópias dele mesmo (replicar ou duplicar).

2º) Transferir e traduzir Informações: o material genético que vem

nos zigotos, além de trazer informações dos genitores, tem que ter

mecanismos que traduzam essa informação em ações, que são capazes de

controlar e gerenciar desde a formação do zigoto, até cada etapa do

desenvolvimento, como o funcionamento de cada célula, as reações

bioquímicas entre as células, tecidos e órgãos etc.

3º) Capacidade de sofrer mutação: apesar de pais e filhos, ou

organismos de uma mesma espécie se assemelhar, nós somos todos

diferentes, e muitas vezes essas pequenas diferenças podem ir se

acumulando e passando para as gerações posteriores. O acúmulo dessas

diferenças pode permitir o surgimento de novas espécies. A capacidade que

tem o material genético de sofrer modificações é o que permite essa grande

variedade entre a prole e entre as diferentes espécies e conseqüentemente a

evolução.

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2. OS TRÊS GRANDES MARCOS DA GENÉTICA

A genética tem pouco mais de 100 anos, mas os avanços científicos e o

desenvolvimento tecnológico permitiram, em pouco tempo, um grande avanço no

conhecimento das principais formas de transmissão das características genéticas,

da estrutura química desse material genético e, principalmente, de como esse

material genético controla e interfere na característica herdada.

Três grandes eventos marcaram essa história:

2.1. MENDEL E AS REGRAS DE HERANÇA

Gregor Mendel, conhecido como o pai da genética, foi o primeiro que,

através da montagem de experimentos e análise estatísticas dos dados em ervilhas,

propôs padrões de herança para características, tais como: forma da ervilha, cor do

cotilédone da semente, altura do pé etc. Mendel chegou à conclusão de que cada

característica é determinada por 2 fatores hereditários (genes) e que, na hora de

formar os gametas, só um dos fatores vai para os gametas, mas que, ao ocorrer

fertilização, esses fatores voltam a se reunir. Esses fatores ou genes podem

apresentar formas (alelos) e contribuições diferentes para a expressão da

característica, por exemplo, a característica cor do cotilédone da semente pode ser;

verde (determinado por um alelo) ou amarela (determinado por outro alelo). A

relação, na planta, entre esses dois alelos é que vai determinar qual a cor do

cotilédone que será expressa. A coexistência de alelos em uma planta não

compromete, portanto, sua integridade, Mendel também descobriu que alelos de

genes diferentes são herdados de forma independente uns dos outros. ( Veremos

os estudos de Mendel no capítulo 1). É com Mendel que se inicia um dos níveis de

análise genética, que chamamos de genética clássica ou genética de

transmissão.

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2.2. WATSON E CRICK: A ESTRUTURA DO DNA

Após a redescoberta dos trabalhos de Mendel, em 1900, a grande pergunta

que não queria calar é o que eram os fatores hereditários ou genes? Só na década

de 50, experimentos feitos por Hershey e Chase mostram que, em bacteriófagos, o

material que penetra na bactéria e é capaz de formar um novo vírus é o ácido

desoxirribonucleico, o DNA. Porém são Watson e Crick que conseguem explicar e

montar um modelo da estrutura e como esse DNA é capaz de produzir cópias dele

mesmo para passar para a descendência. (Capítulos 5 e 6)

2.3. O PROJETO GENOMA HUMANO: SEQUENCIAMENTO DO DNA E

CATALOGAÇÃO DOS GENES

Os geneticistas, na primeira metade do século XX, sonhavam em identificar

o material de que os genes são feitos, geneticista na segunda metade do século

sonhavam com os modos de determinar as sequências de bases nas moléculas de

DNA. Perto do final do século XX, já era possível determinar as sequências de bases

de vários organismos. Esse processo é chamado sequenciamento do DNA e

culminou, em 2001, com o sequenciamento do DNA humano, com uma média de

2,7 bilhões de pares de bases e de 20000 a 25000 genes. A coleção de genes

sequenciados de um organismo forma o que chamamos de genoma. Foi também

observado que o DNA de eucariotos e incluindo o DNA humano apresentam um

grande número de sequências de nucleotídeos que não expressam genes, ou seja,

que não compõem o genoma.

Após o sequenciamento, esses genes foram catalogados por localização,

estrutura e função potencial.

Os esforços hoje estão voltados para estudar, em nível molecular, o modo

como eles influenciam a grande variedade de características dos seres vivos. O

enfoque da genética baseado na análise das sequências de DNA que constituem um

genoma é chamado de genômica.

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3. PRINCIPAIS ACONTECIMENTOS DA GENÉTICA NO SÉCULO XX

Além dos acontecimentos mais marcantes que vieram para mudar a ciência

da genética, sabemos que existiu uma série de descobertas que entremeou esses

eventos e que contribuíu de forma decisiva para que eles acontecessem. Na tabela

abaixo, relacionamos esses eventos.

ANO EVENTO

1900 As leis fundamentais da hereditariedade, descobertas por Mendel em

1865, são redescobertas independentemente por C. Correns, H. de Vries

e E. von Tschermak.

1901 .H. de Vries adota o termo mutação para descrever mudanças na

qualidade do material hereditário.

1902-1909 W. Bateson cria os termos Genética, homozigótico, heterozigótico,

alelomorfo e epistasia, além de uma nomenclatura para designar as

gerações em experimentos genéticos: P, F1, F2 etc.

1903 W. Sutton correlaciona as leis de Mendel com o comportamento dos

cromossomos na meiose. Ele e T. Boveri, independentemente, sugerem

que os fatores hereditários deveriam estar nos cromossomos.

1906 W. Bateson e seus colaboradores E. R. Saunders e R. C. Punnett

descrevem o primeiro caso de ligação genética (linkage), em ervilha-

doce, e de interação genética na herança da forma da crista de

galináceos.

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1909

F. A. Janssens sugere que as figuras em forma de letra X

observadas na meiose, resultantes da sobreposição de

cromátides de cromossomos homólogos, seriam originadas pela

troca de pedaços entre elas (permutação ou crossing-over).

A. E. Garrod publica o livro Inborn Errors of Metabolism (Erros

inatos do metabolismo), em que aparecem as primeiras

discussões sobre genética bioquímica.

W. L. Johannsen enfatiza a distinção entre a aparência de um

organismo e sua constituição genética e cria o termo fenótipo

para designar a primeira e genótipo para a segunda. Ele cria

também o termo gene para designar os fatores hereditários.

N. Nilsson Ehle elabora a hipótese de múltiplos fatores (genes

aditivos) para explicar a herança quantitativa da cor da

semente do trigo.

1911 T. H. Morgan descobre os primeiros genes com herança ligada ao sexo

na mosca-do-vinagre Drosophila melanogaster, e sugere que eles

estariam localizados no cromossomo sexual X, iniciando a consolidação

da teoria cromossômica da herança.

1916-1917 E. Twort e F. H. D’Herelle descobrem, independentemente, um vírus

capaz de atacar e destruir bactérias (bacteriófago).

1927 H. J. Muller, um ex-aluno de Morgan, trabalhando com Drosophila

melanogaster, demonstra que raios X são indutores de mutação.

1928 F. Griffith descobre a transformação bacteriana em pneumococos.

1931 C. Stern, trabalhando com Drosophila melanogaster, e H. S. Creighton e

B. McClintock, com milho, fornecem as provas citológicas da ocorrência

de permutação (crossing-over) na meiose.

1935 G. W. Beadle e B. Ephrussi, com base em seus estudos sobre a cor de

olho em Drosophila, lançam a hipótese de que os genes atuam

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controlando as reações químicas celulares por meio de enzimas.

1936 T. Dobzhansky publica o livro Genetics and the Origin of Species

(Genética e a origem das espécies), um marco na área da Genética

evolutiva e na construção da moderna teoria evolucionista.

1939 E. L. Ellis e M. Delbrück iniciam os estudos com bacteriófagos,

marcando o começo dos trabalhos genéticos em vírus.

1941 G. W. Beadie e E. L. Tatum publicam o primeiro trabalho sobre genética

bioquímica no fungo Neurospora crassa, o qual consolidou a teoria

um gene — uma enzima.

1944 O. T. Avery, C. M. MacLeod e M. McCarty isolam o princípio

transformante do pneumococo, mostrando tratar-se do ácido

desoxirribonucleico (DNA), substância descoberta em 1869 por

Miescher.

1950 J. V. Neel fornece provas de que a anemia falciforme (siclemia) é

condicionada pela versão recessiva (alelo recessivo) de um gene.

B. McClintock propõe a existência de “genes saltadores”

(transposons) para explicar certos casos de herança em milho,

o que foi confirmado, 30 anos mais tarde, em diversos

organismos.

1952 A. D. Hershey e M. Chase mostram que apenas o DNA do vírus

bacteriófago penetra na bactéria durante a infecção e que isso é

suficiente para produzir novos vírus completos, sugerindo ser o DNA o

material hereditário viral.

1953 1. Watson e F. Crick propõem a estrutura em dupla-hélice para a

molécula de DNA.

1956 J. H. Tjio e A. Levan demonstram que os humanos têm 46 cromossomos

em suas células (até então, pensava-se que fossem 48).

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1958 M. Meselson e E. W. Stahl demonstram a duplicação semiconservativa

do DNA.

1961 F. Crick, L. Barnett, S. Brenner e R. J. Watts-Tobin obtêm fortes

indícios de que a linguagem genética baseia-se em sequências de

três bases nitrogenadas na molécula de DNA.

E. Jacob e J. Monod propõem o modelo de regulação gênica em

bactéria e a existência do RNA mensageiro, identificado logo

depois.

M. W. Nirenberg, H. Matthaei, 5. Ochoa e H. G. Khorana

desvendam o código genético, estabelecendo a relação entre os

20 aminoácidos que formam as proteínas e 61 trincas de bases

nitrogenadas do RNA mensageiro.

1974 C. A. Hutchinson, J. E. Newbold, S. S. Potter e M. A. Edgell demonstram a

herança exclusivamente materna do DNA mitocondrial em híbridos

entre cavalo e jumento.

1978 W. Arber, D. Nathans e H. O. Smith recebem o Prêmio Nobel em

Fisiologia ou Medicina pela descoberta das enzimas de restrição e

sua aplicação em problemas de Genética molecular.

1980 P. Berg, W. Gilbert e F. Sanger recebem o Prêmio Nobel em Química. O

primeiro por seus estudos sobre a bioquímica dos ácidos nucleicos, que

levaram ao desenvolvimento da tecnologia do DNA recombinante

(Engenharia Genética); os dois últimos por sua contribuição no

desenvolvimento de métodos de sequenciamento do DNA.

1989 S. Altman e T. R. Cech recebem o Prêmio Nobel em Química pela

descoberta das ribozimas, moléculas de RNA com atividade catalítica.

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1993 R. J. Roberts e P. A. Sharp recebem o Prêmio Nobel em

Fisiologia ou Medicina pela descoberta dos genes

interrompidos (split genes) dos organismos eucarióticos.

K. B. MuIlis e M. Smith recebem o Prêmio Nobel em Química. O

primeiro pela invenção do método PCR (reação da polimerase

em cadeia) para multiplicação de segmentos específicos de DNA

in vitro; o segundo pelo desenvolvimento da técnica de

mutações dirigidas em sítios específicos e seu emprego no

estudo de proteínas.

1995 Fleischmann e colaboradores publicam a primeira sequência completa

de bases nitrogenadas de um organismo de vida livre, a bactéria

Haemophilus influenzae.

1996 Mais de 600 cientistas, trabalhando em cooperação, completam o

sequenciamento das bases nitrogenadas dos cromossomos de

Saccharomyces cerevisiae, o primeiro genoma eucariótico

completamente sequenciado.

1997 S. B. Prusiner recebe o Prêmio Nobel em Fisiologia ou Medicina pela

descoberta dos príons.

2000 É anunciada a conclusão do sequenciamento dos cerca de 3 bilhões de

pares de bases que constituem o genoma humano.

Fonte: Amabis, José M.,Martho, Gilberto R., 2006.

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GENÉTICA DE TRANSMISSÃO:

1ª E 2ª LEI DE MENDEL

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GENÉTICA DE TRANSMISSÃO

1. LEI DA SEGREGAÇÃO DOS FATORES, 1ª LEI DE MENDEL, OU LEI DA PUREZA

DOS GAMETAS

Figura 1.1: vagem e flor da ervilha, primeiro vegetal utilizado nos estudos da genética.

Fonte: Snustad, D.Peter; Simmons, Michael J.,2008.

INTRODUÇÃO

Apesar de há milhares de anos se tentar explicar como as características

genéticas são transmitidas, só no fim século XIX, obteve-se os primeiros resultados

significativos a respeito de como essas características são passadas de pais para

filhos, surgindo dessa forma o que hoje chamamos de genética de transmissão.

Nesse capítulo, falaremos sobre os trabalhos de Mendel, sua metodologia e seus

postulados, que serviram de ponto de partida para o entendimento dessa ciência.

1.1. QUEM FOI MENDEL!

Gregor Johann Mendel nasceu em 1822, no vilarejo de Heinzendorf, antiga

Áustria e hoje República Tcheca, filho de pais agricultores pobres, deve uma

criação rural o que facilitou o seu conhecimento sobre os processos de cultivo de

plantas, de criação de animais e seu amor pela natureza. A falta de condições

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financeiras para estudar fez com que Mendel aos 21 anos optasse por um

monastério católico na cidade de Brünn (hoje, Brno) para dar continuidade aos

seus estudos. Quatro anos mais tarde ordenou-se padre (1847), adotando o nome

Gregor pela igreja. Durante, esses quatro anos, Mendel aprendeu ciências agrárias

e técnicas de polinização. Entre 1851 e 1853 foi liberado por seus superiores do

mosteiro, para cursar na Universidade de Viena o curso de Física, porém assistiu

cursos adicionais de química, zoologia, botânica, fisiologia vegetal, paleontologia e

de Matemática, do qual, já tinha sido professor numa escola local, próxima ao

mosteiro. Também se dedicou ao estudo de técnicas de hibridização em plantas e

em especial em ervilhas. Em 1853, quando retornou ao Mosteiro, voltou as suas

atividades de monge-professor, agora de física e ciências naturais e começou em

1857, seus experimentos genéticos com ervilha, concluindo-os em 1864. Em 1865

apresentou os seus resultados na Natural History Society local e no ano seguinte,

publicou um relato detalhado nas publicações da sociedade. Mendel, porém, ficou

na obscuridade por 35 anos, não se sabe se por falta de entendimento do que

publicou na época, ou por que os interesses dos cientistas da época estavam

voltados para outras questões, como por exemplo, a evolução.

Figura 1.2: Gregor Johann Mendel (1822 – 1884). Fonte Klug et. al.,2010

Em 1900, três botânicos, Hugo de Vries na Holanda, Carl Correns na

Alemanha e Eric Von TschermaK-Seysenegg na Áustria de forma independente,

trabalhando com hibridização em outros vegetais descobriram ao pesquisarem a

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literatura científica, para corroborar com suas teorias sobre hereditariedade, que

Mendel há 35 anos tinha chegado às mesmas conclusões.

1.2. PORQUE MENDEL OBTEVE SUCESSO?

Várias foram as causas do sucesso de Mendel, a escolha do material, o seu

alto grau de organização científica na escolha da metodologia e seus

conhecimentos estatísticos, como conhecedor e professor de matemática por um

determinado tempo.

O material biológico escolhido por Mendel foram variedades de plantas da

espécie Pisum sativum (34 variedades, cedidas por horticultores da região),

também chamadas ervilhas-de-jardim ou ervilhas-de-cheiro (figura 1.3),

dicotiledôneas de fácil cultivo, podem ser plantadas em jardins experimentais, ou

em vasos, em uma estufa. Por apresentarem suas pétalas em forma de quilhas

(fechadas) são impedidas de realizarem fecundação cruzada de forma natural,

sendo assim, hermafroditas e autofecundantes, o que facilita a obtenção de

linhagens puras para uma determinada característica. Porém, é acessível para

cruzamentos experimentais de hibridização, originando híbridos férteis. Seu ciclo

de vida é curto, podendo originar várias gerações, em pouco tempo. Apresentam, a

cada geração, um grande número de descendentes, o que facilita o estudo

estatístico dos dados colhidos. Apresentam linhagens com características

individuais bem contrastantes, tais como cor dos cotilédones da semente que em

uma linhagem é verde e em outra linhagem amarela; altura do pé de ervilha que

poderia ser alto (em torno de 2,0 m de altura) ou baixo (em torno de 0,5 m de

altura) e assim sucessivamente para as sete características estudas por ele(figura

1.4).

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Figura 1.3: Flor hermafrodita da ervilha, com identificação das pétalas fechadas em

forma de quilha, isolando do meio esterno as estruturas reprodutora masculina e

feminina da flor. Fonte: Amabis, José M.,Martho, Gilberto R., 2006.

Figura 1.4: As sete características estudadas por Mendel. Fonte: Griffiths et. al., 2009

Com relação à metodologia, Mendel preocupou-se em trabalhar na

observação de uma característica por vez, anotando seus resultados e

comparando-os com os das outras seis características estudadas, além de obter,

amostras significativas para a análise estatística dos dados, decorrência do grande

número de descendentes obtidos em cada geração.

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1.3. UM EXEMPLO DO EXPERIMENTO DE MENDEL

Um dos experimentos realizado por Mendel foi o cruzamento entre uma

variedade de ervilhas que durante várias gerações só produzia, por

autofecundação, sementes com cotilédones amarelos, com uma variedade que só

produzia cotilédones verdes, sendo assim denominadas sementes puras, para

essa característica analisada. Em cada experimento Mendel retirava as anteras,

estruturas vegetais onde se produz o grão de pólen, de algumas das plantas com

cotilédones amarelos, ficando essas variedades só com a estrutura reprodutora

feminina. Repetia o mesmo processo com as variedades de cotilédones verdes.

Como resultado em cada uma das variedades estudadas existiriam plantas

somente com estruturas reprodutoras femininas e outras hermafroditas. Após esse

processo de castração, Mendel esperava o amadurecimento reprodutivo das

plantas femininas e realizava a fertilização cruzada, retirando o pólen das anteras

das plantas de cotilédones verdes e colocando nas plantas femininas de

cotilédones amarelos, do mesmo jeito, retirava o pólen das de cotilédones

amarelos e fertilizava as femininas de cotilédones verdes (figura 1.5), realizando

cruzamentos recíprocos, nos dois casos, os resultados obtidos foram os mesmos:

os descendentes, todos nasceram com cotilédones amarelos. Essas plantas

resultantes da fertilização cruzada foram denominadas híbridas.

Figura 1.5: Polinização cruzada e autofecundação os dois tipos de cruzamentos usados

por Mendel. Fonte: Griffiths et. al., 2009

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O passo seguinte foi deixar as plantas híbridas autofecundarem para se

observar a descendência. A característica cotilédone verde que havia desaparecido

na geração anterior (híbrida) voltou a aparecer numa proporção aproximada de

uma semente de cotilédone verde para cada três com cotilédone amarelo (fig. 1.6).

Mendel chamou o 1º cruzamento entre linhagens puras de geração

parental, hoje chamada simplesmente geração P, a prole desse 1º cruzamento,

descendência híbrida, geração filial 1 ou F1 e os descendentes da autofecundação

de F1, geração filial 2, ou F2 e assim sucessivamente.

Figura 1.6: Representação esquemática das gerações P, F1 e F2 do cruzamento mono-

híbrido para a característica cor do cotilédone da semente Fonte: Amabis, José

M.,Martho, Gilberto R., 2006.

Completando o experimento, Mendel pegou as sementes com cotilédones

verde da geração F2 deixou germinar e autofecundar, obtendo em F3, sementes

com cotilédones verdes, já as sementes com cotilédones amarelos da geração F2, ao

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germinar e autofecundar gerou em 1/3 dos pés de ervilha somente sementes com

cotilédones amarelos e em outros 2/3, sementes com cotilédones amarelos e

verdes.

Mendel repetiu esse experimento, denominado cruzamento mono-híbrido

(pois só leva em consideração uma única característica ou caráter por vez), com as

outras seis características contrastantes da ervilha-de-jardim, obtendo sempre o

mesmo resultado. Em F1, no híbrido, só uma das características aparecia; em F2, a

proporção era sempre de aproximadamente 3 com a mesma característica de F1

para 1 com a característica que desaparecia em F1 (fig.1.7).

Mendel também vez o cruzamento recíproco entre as plantas híbridas, F1

com as plantas parentais de ervilhas de cotilédones verdes, obtendo na prole a

proporção de 1 ervilha de cotilédone amarela, para uma ervilha de cotilédone

verde. Hoje esse cruzamento é conhecido como cruzamento teste (fig. 1.8).

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Figura 1.7: Resultados dos cruzamentos Mendelianos nos quais os genitores diferem em

uma característica. Adaptada Fonte: Amabis, José M.,Martho, Gilberto R., 2006.

Nº de características

Geração Parental(pura)

( P)

Plantas F1

(híbrida)

Autofecundação de

F1(híbridas) Plantas F2

Razão entre

os tipos F2

1 Forma das sementes

Lisa X Rugosa Sementes lisas Lisas X Lisas

5474 lisas e 1850 rugosas=

7324(total) 2,96: 1

2 Cor dos cotilédones

Amarelo X Verde

Sementes com cotilédones

amarelo Amarelo X Amarelo

6022com cotilédones

amarelo e 2001 com cotilédones

verdes= 8023 (total)

3,01: 1

3 Cor da flor

Violeta X branca Flores violeta Violeta X Violeta

705 flores violetas e 224

flores brancas= 929 (total)

3,15: 1

4 Textura das vagens

Inflada X comprimida Vagens infladas Inflada X Inflada

882 vagens infladas e 299

vagens comprimidas = 1181 (total)

2,95:1

5 Cor das vagens

Verdes X Amarelas Vagens verdes Verde X Verde

428 vagens verdes e 152

vagens amarelas= 580 (total)

2,82: 1

6 Posição das flores Axilar X Terminal

Flores axilares Axilar X Axilar

651 flores

axilares e 207

flores terminais=

858 (total)

3,14:1

7 Altura do caule Alto X baixo

Caule alto Alto X Alto

787 caule alto e

277 caule baixo =

1064(total)

2,84:1

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Figura 1.8: Esquema da autofecundação de F1, híbrida, aparecendo na prole a

proporção de 3: 1(esquerda) e o cruzamento teste entre F1, híbrida, e a planta de

cotilédones verdes dando a proporção de 1:1 (direita). Fonte: Griffiths et. al., 2009

1. 4. CONCLUSÕES DE MENDEL

Após análise estatística dos dados Mendel chegou às seguintes conclusões:

1º) Existem fatores unitários particulados, que funcionam como unidades

básicas da hereditariedade (hoje chamamos genes) responsáveis por

cada uma das características estudadas e são transmitidas de geração a

geração de forma inalterada através dos gametas; (Exemplo: Um fator

determina a cor do cotilédone verde e outro fator determina a cor do

cotilédone amarelo)

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2º) Cada planta ou organismo individual possuem um par desses fatores,

determinando a característica; (Exemplo cor do cotilédone)

3º) Na hora de formar os gametas só um dos fatores será encontrado nos

gametas;

4º) Na fertilização após o encontro do gameta masculino (presente no

pólen) com o gameta feminino (presente no pistilo) haverá uma

reconstituição do par de fatores.

5º) Cada planta pura, para uma dada característica possuirá um par de

fatores iguais;

6º) A planta híbrida apresentará um fator de cada tipo na formação do par;

7º) O fator que não aparece na geração F1, e só volta a reaparecer na geração

F2 é dito recessivo, e o fator que determina a característica em F1 é dito

dominante.

1.5. A CORRELAÇÃO ENTRE OS POSTULADOS DE MENDEL E O

COMPORTAMENTO DOS CROMOSSOMOS NA MEIOSE

As redescobertas dos trabalhos de Mendel em 1900 por Hugo de Vries na

Holanda, Carl Correns na Alemanha e Eric Von TschermaK-Seysenegg na Aústria, e

sua aceitação pelos cientistas originaram o levantamento de outras questões, tais

como: onde se localizam,nas células, os fatores hereditários ? Qual é o mecanismo

responsável por sua segregação durante a formação dos gametas.

Em 1902,Walter S. Sutton, trabalhando com a formação de gametas em

gafanhoto e Theodor Bovari trabalhando de forma independente, com meiose,

observaram uma grande semelhança entre o comportamento dos cromossomos na

meiose e a segregação dos fatores hereditários (genes) de Mendel, Sutton e Bovari

propuseram assim a hipótese de que os fatores hereditários de Mendel estavam

localizados em cromossomos homólogos, de tal maneira que sua separação na

meiose levaria à segregação dos fatores.(fig. 1.9)

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Figura 1.9: Representação esquemática da idéia originalmente proposta por Walter S.

Sutton e Bovari, em 1902, de que a segregação de um par de alelos resulta da separação

dos cromossomos homólogos na meiose. A hipótese foi confirmada e passou a

constituir um dos fundamentos da Genética. Fonte: Amabis, José M.,Martho, Gilberto R.,

2006.

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1.6. A TERMINOLOGIA GENÉTICA ATUAL

Hoje sabemos que os fatores hereditários de Mendel são os genes, que

podem ser representado simbolicamente de várias formas, adotaremos

inicialmente, de forma simples, a letra da característica recessiva, na forma

minúscula, e em itálico, como símbolo representativo do traço recessivo (por

exemplo: Na característica cor do cotilédone, v = fator ou gene que determina a

característica ou traço cotilédone verde). O traço dominante da mesma

característica (cotilédone amarelo) é representado pela mesma letra, também em

itálico, só que maiúscula (V).

Os fatores hereditários alternativos que determinam traços diferentes

dentro de uma mesma característica (V e v) são denominados alelos. Logo cada

planta apresenta dois alelos para uma dada característica (VV ou Vv ou vv). Esses

pares de alelos representam o genótipo ou constituição gênica da planta para a

característica estudada. Os traços cotilédones amarelos ou cotilédones verdes,

variações dentro de uma mesma característica e expressão física dos fatores

hereditários, ou genes, é denominado fenótipo.

O fenótipo cotilédone amarelo dominante em relação ao fenótipo cotilédone

verde, apresenta dois genótipos diferentes, assim representados: VV encontrado

em plantas puras ou hoje chamadas homozigotas para essa característica, pois só

produzem um tipo de gameta V; e o genótipo Vv, encontrado em plantas híbridas

ou heterozigotas, capaz de produzirem dois tipos de gametas V ou v. O fenótipo

recessivo, cotilédone verde apresenta um único genótipo vv originando um único

tipo de gameta v.(fig. 1.10)

26

Figura 1.10: Esquema de um cruzamento mono-híbrido de ervilha-de-jardim, representando a característica cor do cotilédone Amarelo(V) e verde(v). Adaptada de Klug et. al., 2010.

27

1.7. CRUZAMENTO TESTE

O cruzamento teste, feito por Mendel, cruza um fenótipo dominante com um

recessivo e serve para identificar se o fenótipo dominante tem genótipo

homozigoto ou heterozigoto, quando obtemos toda a prole do cruzamento com

fenótipo dominante, podemos chegar a conclusão que o fenótipo dominante é

homozigoto, já quando obtemos aproximadamente metade da prole com o fenótipo

dominante e a outra metade recessiva o genótipo do fenótipo dominante é

heterozigoto.

1.8. OS QUADROS DE PUNNETT

Reginald C. Punnett construiu um diagrama que facilita visualização de um

cruzamento, nesse diagrama representamos os gametas masculinos em uma

coluna ou linha. Os gametas femininos, são representados dependendo dos

masculinos: caso os masculinos estejam representados em uma coluna os

femininos são representados em uma linha, mas se os masculinos foram

representados em uma linha os femininos ficam em uma coluna. No diagrama

também visualizamos como resultado do encontro gamético o genótipo e fenótipo

dos descendentes. (fig. 1.11).

28

Figura 1.11: Representação do Cruzamento-teste de uma só característica utilizando o quadrado de Punnett: Em (a), a planta genitora Cotilédone amarelo é homozigota, mas, em (b), a genitora Cotilédone amarelo é heterozigota. O genótipo de cada planta alta da P1 pode ser determinado por meio do exame da prole, quando cada uma é cruzada com

a planta baixa homozigota. recessiva. Adaptada de Klug et. al., 2010.

29

1.9. EXEMPLOS DE HERANÇA MONOGÊNICA OU MONO-HIBRIDISMO EM

OUTROS ORGANISMOS

1.9.1.HERANÇA DO TIPO DE FOLHA EM COLEUS BLUMEI (CÓLEO)

Na planta Coleus blumei, utilizada na ornamentação de jardins, a

característica que determina a forma da borda das folhas : crenada(levemente

ondulada) ou lobadas (profundamente recortada) é determinado por um par de

genes. onde o gene que determina folha lobada é dominante sobre o que determina

folha crenada.(fig. 1.12)

Figura 1.12: Representação esquemática entre plantas de Coleus blumei (foto) de folhas

lobadas e folhas crenadas. Fonte: Amabis, José M.,Martho, Gilberto R., 2006.

30

1.9.2. HERANÇA DO TIPO DE ASA EM DROSOPHILA MELANOGASTER

A mosca Drosophila, também chamada mosca-do-vinagre ou mosca-da-

banana também apresenta características determinadas por um único par de

genes, um exemplo é o tipo das asas, onde os fenótipos asa longa (ou selvagem) e

asa vestigial (ou mutante), ao serem cruzados produzem em F1 toda a prole com

asas longas e em F2 mantém a proporção Mendeliana de 3/4 asas longa para 1/4

asa vestigial. (fig. 1.13)

Figura 1.13: Representação do cruzamento entre Drosophilas selvagens de asas longas

e mutantes de asas vestigiais (na foto, aumento ≈ 17X). Fonte: Amabis, José M.,Martho,

Gilberto R., 2006.

31

1.9.3. HERANÇA DA SENSIBILIDADE AO PTC NA ESPÉCIE HUMANA

Uma herança com padrão de herança monogênica na espécie humana é a

sensibilidade ao PTC (droga denominada feniltiocarbamida, ou feniltiouréia),

pessoas que são sensíveis ao PTC sentem um gosta amargo na boca quando são

colocados em contato com soluções de PTC, e outras pessoas nada sentem quando

em contato com a droga. Sensibilidade ao PTC é dominante em relação à

insensibilidade. (fig. 1.14)

Figura 1.14: Representação esquemática do cruzamento entre uma mulher sensível ao

PTC e um homem insensível ao PTC (Feniltiocarbamida). Adaptado de :Amabis, José


32

1.10. HEREDOGRAMAS, GENEALOGIAS, ÁRVORES GENEALÓGICAS OU

PEDIGREE

Na espécie humana fica muito difícil determinar se um fenótipo é

hereditário ou não e qual o padrão de herança de uma dada característica, já que

não é possível se fazer cruzamentos experimentais e a prole resultante é muito

pequena, para que se tenha uma boa análise estatística, além disso, a possibilidade

de se estudar o comportamento de um determinado traço por várias gerações em

uma família é pouca provável, já que, às vezes aquele traço só se manifesta na

idade adulta, depois dos 40 anos.

O meio tradicional para o estudo de determinadas características

hereditárias em uma família é a construção de uma árvore familiar ou

heredograma, indicando a presença ou ausência de um traço em questão para cada

membro de cada geração. As genealogias são representações gráficas

convencionadas pelos geneticistas das relações de parentesco entre os indivíduos

de uma família. (fig.1.15)

33

Figura 1.15: Símbolos comumente empregados na representação gráfica de genealogias.

Fonte: Lima, Celso P.,1984

34

1.10.1. ANÁLISE DE GENEALOGIAS

Os heredogramas nem sempre são precisos para diagnosticar o tipo de

herança que estamos trabalhando, já que, o tamanho da amostra é pequeno e a

elaboração muitas vezes depende de informações prestadas pelo probando ou

propósito (isto é, pelo indivíduo afetado que atraiu a atenção dos pesquisadores),

ou por seus parentes que muitas vezes não estão tão interessados em colaborar de

forma mais efetiva, ou ainda, a história da família pode ser falseada porque o

investigador muitas vezes se baseia em dados que depende da memória de quem

os fornece. Para que se possa interpretar com menor chance de erro os dados é

necessário muitas vezes analisar vários genealogias referentes aquele fenótipo que

se está estudando.

Alguns critérios que não são rígidos, mas, que ajudam na identificação de padrões

de herança quando analisamos heredogramas.

Como se reconhece a herança autossômica (característica monogênica onde os

genes encontram-se em cromossomos autossômicos) dominante (fig. 1.16)

1) A característica ocorre igualmente em homens e mulheres;

2) Indivíduos afetados são sempre filhos de casais em que pelo menos um dos

cônjuges é afetado; dessa forma, um casal normal nunca tem filhos afetados

(a não ser por mutação que é raro ou por penetrância incompleta);

3) A característica ocorre em todas as gerações sem pular nenhuma;

Figura 1.16: Heredograma representativo de uma característica autossômica dominante.

Fonte: Klug et. al.,2010

35

Como se reconhece a herança autossômica recessiva (fig.1.17)

1) Os dois sexos são igualmente afetados;

2) Os indivíduos afetados geralmente são filhos de pais normais;

3) Dentre os irmãos do propósito, os indivíduos afetados e normais

distribuem-se na proporção de 3 normais para 1 afetado;

4) Os indivíduos afetados geralmente resultam de cruzamentos

consangüíneos.

Como se reconhece a herança recessiva ligada ao sexo (herança monogênica onde

os genes encontram-se numa porção do cromossomo sexual X que não tem

homologia no Y) (fig.1.18)

1) Mulheres afetadas são muito mais raras do que homens afetados;

2) Homens afetados geralmente têm filhos normais;

3) Os indivíduos afetados são filhos de mulheres normais que, por sua vez, são

filhas de homens afetados; em outras palavras, a anomalia passa de avô

4) para neto, através de suas filhas que são portadoras do gene.

Figura 1.17: Heredograma representativo de uma característica autossômica recessiva.

Fonte: Klug et. al.,2010

36

Figura 1.18: Heredograma representativo de uma característica ligada ao sexo recessiva.

Fonte: Lima, Celso P.,1984.

Como se reconhece a herança dominante ligada ao sexo (fig. 1.19)

1) A característica marcante deste tipo de herança é o fato de que os homens

afetados têm todas as suas filhas afetadas, embora nenhum de seus filhos o

seja;

2) As mulheres heterozigotas transmitem as características à metade de seus

descendentes, sejam meninos ou meninas.

3) As mulheres afetadas homozigotas transmitem as características a todos os

seus descendentes.

4) Este tipo de herança só pode ser reconhecido pela descendência dos

homens afetados; se não existir descendência deles torna- se impossível

reconhecer este tipo de herança, visto que ela se assemelha à herança

autossômica dominante.

37

Figura 1.19: Heredograma representativo de uma característica ligada ao sexo

dominante. Fonte: Lima, Celso P.,1984

1.11. A BASE MOLECULAR DA SEGREGAÇÃO E EXPRESSÃO MONOGÊNICA

1.11.1. COMO SURGEM OS ALELOS!

Quando falamos em alelos até agora não nos preocupamos com a estrutura

e função desses alelos somente como eles se segregam e se comportam em relação

aos outros alelos. Mas, a nível molecular como surgem os diferentes alelos? Esses

alelos são resultantes de mutações de alelos denominados selvagens, que se

caracterizam por aparecer em maior freqüência na população. Os alelos

resultantes de alterações no DNA do alelo selvagem são ditos, alelos mutantes.

Existem vários tipos de mutações, (que serão estudadas em outro capítulo), porém,

as mutações só são visíveis quando elas alteram o gene, de tal forma, que como

conseqüência altere o fenótipo. Um novo fenótipo resulta de uma mudança na

atividade funcional do produto celular (proteína) especificado pelo respectivo

gene.

Esses genes (ou alelos) mutantes podem ser em relação ao alelo selvagem

dominante ou recessivo. Quando a mutação altera o alelo selvagem e ele diminui

ou perde a função essa mutação é denominada mutação de perda de função, se a

perda for completa é formado um alelo denominado alelo nulo e o fenótipo

determinado por esse alelo é geralmente recessivo.

Em outros casos, a mutação altera o alelo selvagem formando alelos

mutantes com um aumento na atividade funcional em relação a atividade funcional

38

do alelo selvagem , aumentando assim, a quantidade do produto gênico, nesse caso,

denominamos a mutação de mutação de ganho de função, e o fenótipo resultante

geralmente é um fenótipo dominante.

Como já havia falado existem várias formas de representação dos alelos, a primeira

mais simples, usada por Mendel, onde se representa o fenótipo dominante com a

letra maiúscula e em itálico, do fenótipo recessivo e o recessivo com letra

minúscula e em itálico. Outra notação, determinada quando Morgan e Bridges

estudavam cor do olho em Drosophila, que pode ser usada para representar o alelo

selvagem e o alelo mutante é a primeira letra ou a combinação de duas ou três

letras do traço mutante em maiúsculo ou minúsculo, quando representa

respectivamente fenótipos mutantes dominantes e recessivos, acrescidos de um

sinal sobrescrito + para representar o alelo selvagem ou simplesmente para

simplificar, o sinal + para o alelo selvagem e o mutante com a letra inicial ou com a

combinação de duas ou três letras. Quando se está representando o genótipo

utiliza-se uma barra separando os alelos de um mesmo locus em cromossomos

homólogos. (fig. 1.20 a e b)

Figura 1.20a: Representação de notação para designar genótipos e alelos selvagens e

mutantes recessivo. Adaptada de Klug et.al., 2010

Tabela representando os genótipos e fenótipos para a cor do corpo em Drosophila que apresenta o alelo mutante recessivo e fenótipo ébano e o alelo selvagem dominante e+ fenótipo cor cinza.

Genótipos Fenótipos

e+/e+ ou +/+ Homozigoto cinza (tipo selvagem)

e+/e ou +/e Heterozigoto cinza (tipo selvagem)

e/e ou e/e Homozigoto ébano ( tipo mutante

39

Figura 1.20b: Representação de notação para designar genótipos e alelos selvagens e

mutantes dominantes. Adaptada de Klug et.al., 2010

2. 2ª LEI DE MENDEL OU LEI DA SEGREGAÇÃO INDEPENDENTE

Mendel após trabalhar na observação de uma característica por vez

começou a fazer experimentos com plantas que diferiam em duas características.

Ele cruzou a variedade de plantas que produziam sementes amarelas lisas, e que

por autofecundação só originavam plantas com sementes amarelas lisas, portanto

puras para as características cor e forma da semente, com a variedade de plantas

verdes rugosas também puras para essas características com o objetivo de analisar

como se comportavam as duas características ao mesmo tempo na hora de formar

os gametas e a prole.

Vamos usar as seguintes notações nos cruzamentos para representar os

genótipos que incluem dois pares de alelos que se encontram em cromossomos

homólogos distintos para as características: cor do cotilédone da semente; V

(Amarela) e v (verde) e forma da semente; R (Lisa) e r (rugosa), logo o genótipo da

planta com sementes amarela lisa pode ser assim representado VV RR e o da

planta verde rugosa vv rr. Ao cruzar essas duas linhagens Mendel obteve em F1

todas as plantas com semente amarelas lisas, indicando que os dois traços, amarelo

e liso são dominantes em relação à verde e rugoso com o seguinte genótipo Vv Rr.

Essas Plantas F1 ele deixou autofecundar e resultou em todas as possibilidades de

combinações nas proporções; 9/16 plantas amarelas lisas, 1/16 plantas verdes

Tabela representando os genótipos e fenótipos para a forma da asa em Drosophila que apresenta o alelo mutante dominante Wr fenótipo asa rugosa e o alelo selvagem dominante Wr+ fenótipo asa lisa.


Wr/Wr Asa rugosa (tipo mutante)

Wr/Wr+ Asa rugosa (tipo mutante)

Wr+/Wr+ Asa normal (tipo selvagem)

40

rugosas, semelhantes aos fenótipos parentais, 3/16 plantas amarelas rugosas e

3/16 plantas verde lisa. (fig. 1.21 e 1.22)

Figura 1.21: Os cruzamentos de Mendel entre ervilhas que produziram sementes

amarelas e lisas e ervilhas que produziram sementes verdes e rugosas. Fonte: Snustad,

D.Peter; Simmons, Michael J.,2008.

Mendel também usou o cruzamento teste (cruzamento do di-híbrido com o

duplo recessivo) com o intuito de demonstrar que cada gameta do di-híbrido é

formado por um alelo do par V ou v e do par R ou r e que essas combinações

gaméticas apareciam em uma mesma proporção, indicativo de segregação

independente.(fig.1.23)

41

Figura 1.22: Representação simbólica dos resultados de um cruzamento entre uma

variedade de ervilhas com sementes amarelas e lisas e uma variedade com sementes

verdes e rugosas. Fonte: Snustad, D.Peter; Simmons, Michael J.,2008.

42

Figura 1.23: Representação do cruzamento teste de plantas de ervilhas amarela lisa (F1)

com o duplo recessivo (verde rugosa). Adaptado de Snustad, D.Peter; Simmons, Michael

J.,2008.

Mendel fez outras combinações entre as sete características estudadas por

ele, em todas elas obteve os mesmos resultados e com esses resultados Mendel

chegou às seguintes conclusões:z

1. Cada característica é controlada por um par de alelos que se

segregam na hora de formar os gametas;

2. Cada um dos pares segrega (separa) de forma independente do outro

3. na hora de formar os gametas, logo a alelo V pode estar em um

gameta junto com o alelo R ou com r e o alelo v pode vir em um

gameta tanto junto com o alelo R ou com r, as chances desses

encontros são as mesmas e essas combinações são feitas de forma

aleatória.

43

Após as conclusões, Mendel enuncia o que chamamos 2ª lei de Mendel ou

Lei da segregaç~o independente: “Os alelos de genes diferentes segregam-se, ou

distribuem-se, independentemente uns dos outros.”

Além dos experimentos com uma característica, cruzamentos mono-

híbridos, ou duas características ao mesmo tempo, cruzamentos di-híbridos,

Mendel fez experimentos com três características ao mesmo tempo, cruzamento

esse chamado tri-híbrido e observou que a segregação independente também é

aplicada nesses casos.

Depois de 1900 quando os trabalhos de Mendel foram redescobertos, as leis

de Mendel foram testadas em várias outras plantas e animais, os resultados

obtidos vieram para validar o trabalho de Mendel quase que de forma geral. A

exceção à lei de segregação independente é quando os dois ou mais pares de alelos

que determinam as características se encontram em um mesmo cromossomo

homólogo.

2.1. A MEIOSE E A 2ª LEI DE MENDEL

Sabemos que em um organismo diplóide cada um dos pares de homólogos é

constituído por cromossomos de origem paterna, proveniente do gameta

masculino e o outro, de origem materna, proveniente do gameta feminino. As

plantas de ervilhas possuem 14 cromossomos, ou seja, 7 pares de homólogos e

Mendel fez experimentos com 7 características ou traços distintos. Os pares de

alelos que determinam cada uma das características mendelianas se encontram

distribuídos nesses cromossomos. Cada uma das características estudada em um

par de homólogos. Os cromossomos homólogos na meiose segregam-se

independentemente levando junto os pares de alelos mendelianos.

Estudos posteriores que analisaram outras características das plantas de

ervilha, não conseguiram obter sempre os mesmos resultados de Mendel a

conclusão para isso é que características que estão em um mesmo par de

cromossomos homólogos segregam juntas na hora de formar os gametas (fig. 1.24)

44

Figura 1.24 Representação esquemática da segregação independente dos cromossomos

homólogos na meiose, responsável pela segregaçáo independente dos genes situados

em diferentes pares de homólogos. Em uma célula duplo-heterozigótica, há duas

possibilidades para a migração dos cromossomos, o que caracteriza a segregação

independente. Fonte: Amabis, José M.,Martho, Gilberto R., 2006.

45

3. APLICAÇÕES DOS PRINCÍPIOS DE MENDEL

Se a base genética de uma característica é conhecida, os princípios de

Mendel podem ser usados para prever o resultado dos cruzamentos. Existem três

procedimentos analíticos que são parte das pesquisas genéticas cotidianas e são

utilizados para se fazer a análise de proporções fenotípicas. Essa análise pode ser

feitas por dois caminhos ou prevendo os genótipos dos genitores a partir das

proporções fenotípicas da prole, ou as proporções fenotípicas da prole tendo-se o

conhecimento dos genótipos dos genitores.

3.1. O QUADRADO DE PUNNETT

O método utilizado até agora “o quadrado de Punnett”, representados na

figura 2.3 e 2.4, é muito útil em situações que envolvem 1 ou 2 pares de genes, pois

dá uma visualização dos gametas formados pelos genitores e a representação de

todos os encontros gaméticos possíveis na formação da prole, resultando nos

genótipos. Podendo-se chegar às proporções fenotípicas quando se sabe a relação

de dominância entre os alelos que compõem os genótipos. Porém se torna muito

trabalhoso usarmos esse método quando passamos a ter 3 ou mais pares de alelos

determinando três ou mais características ao mesmo tempo. Com 3 pares de alelos,

resultantes do cruzamentos de 2 linhagens uma homozigota dominante com uma

homozigota recessiva, teríamos um tri-híbrido em F1. Esse F1 produziria 8 tipos

diferentes de gametas(fig. 1.25) que se for cruzado com outro igual a ele também

formará 8 diferentes tipos de gametas, gerando 8X8 = 64 genótipos, no quadrado

de Punnett.

46

Figura 1.25: Representação esquemática da segregação independente de 3 pares de

alelos originando os oito tipos de gametas. Adaptada de Amabis, José M.,Martho,

Gilberto R., 2006.

3.2. O MÉTODO DA LINHA BIFURCADA

Caracteriza-se por representar os fenótipos ou genótipos resultantes do

cruzamento de cada uma das características estudadas em linhas que se bifurcam,

em cada elo da bifurcação colocam-se os fenótipos ou genótipos de um dos

cruzamentos. (fig. 1.26a e 1.26b)

47

Figura 1.26a: O método da linha difurcada para prever o resultado de um cruzamento

envolvendo 3 genes que se distribuem independentemente em ervilhas. A proporção

fenotípica é dada pelo produto de cada cruzamento individualmente. Adaptado de

Snustad, D.Peter; Simmons, Michael J.,2008.

Cruzamento: Vv Rr Bb X Vv Rr Bb Segregação de gene

para cor do cotilédone

da semente

Segregação do

gene para forma

da semente

Segregação do

gene para cor da

casca da semente

Fenótipo combinados de

todos os três genes

3 Altas

1 Baixa

3 Lisas

1 Rugosa

3 Lisas

1 Rugosa

3 Cinzas

1 Branca

3 Cinzas

1 Branca

3 Cinzas

1 Branca

3 Cinzas

1 Branca

27 altas, lisas, cinzas

9 altas, lisas, brancas

9 altas,rugosas,cinzas

3 altas,rugosas,brancas

9 baixas,lisas,cinzas

3 baixas,lisas,brancas

3 baixas,rugosas,cinzas

1 baixa,rugosa,branca

48

Figura 1.26b: O método da linha difurcada para prever o resultado de um cruzamento

envolvendo 2 genes que se distribuem independentemente em ervilhas. A proporção

genotípica é dada pelo produto de cada cruzamento individualmente. Adaptado de

Snustad, D.Peter; Simmons, Michael J.,2008.

Observando as figuras acima vamos perceber que quando montamos a linha

bifurcada para os genótipos fica bem mais difícil manejar. Levando em conta só

duas características di-híbridas, já obtemos 3n onde n é igual ao número de

características heterozigotas e 3 é o número de genótipos distintos em cada

cruzamento mono-híbrido, caso tenhamos 3 pares de genes (cruzamento tri-

híbrido) teríamos 33= 27 genótipos diferentes.

Cruzamento: Vv Rr X Vv Rr Segregação de gene para cor do cotilédone da semente

Segregação do gene para forma da semente

Proporção dos Genótipos combinados de 2 pares de genes.

1 RR

1 VV RR

1 VV 2 Rr

2 VV Rr

1 rr

1 VV rr

1 RR

2 Vv RR

2 Vv 2 Rr 4 Vv Rr

1 rr 2 Vv rr

1 RR 1 vv RR

1 vv 2 Rr 2 vv Rr

1 rr 1 vv rr

49

3.3. O MÉTODO MATEMÁTICO

Um método alternativo ao quadrado de Punnett e o da linha bifurcada, e

mais rápido, é baseado no princípio da probabilidade.

Probabilidade é a chance de um determinado evento ocorrer, entre dois ou

mais eventos possíveis. Por exemplo, qual a probabilidade de em um nascimento

obtermos um menino? O número de eventos possíveis (minha amostra) são dois a

criança ou é menino ou é menina. Logo a probabilidade de que seja menino é 1 em

2 ou 1/2.

Eventos aleatórios são eventos que têm a mesma chance de ocorrer

quando comparados com outros eventos possíveis dentro de uma probabilidade.

Eventos independentes são eventos em que a ocorrência de um evento

não afeta a probabilidade do outro evento ocorrer. Exemplo: o nascimento de cada

filho é um evento independente já que nascimento do 1º não afeta ou não interfere

no nascimento do 2º e assim sucessivamente, ou em um cruzamento entre um

casal de heterozigotos, a probabilidade da mulher produzir gametas não interfere

na probabilidade do homem também produzir.

Eventos mutuamente exclusivos são eventos que quando um ocorre o

outro não pode ocorrer ao mesmo tempo. Um bom exemplo dentro da genética

para isso é o nascimento de uma criança, ela não pode ser ao mesmo tempo

menina e menino. Ou ele é menina ou ela é menino. Logo esses eventos são

mutuamente exclusivos.

Em estatística existem 2 regras básicas que são necessárias para a resolução

dos exercícios para cálculo das proporções genotípicas e fenotípicas da prole, são

elas a regra dos produtos (ou regra do “e”) e a regra da soma (ou regra do “ou”).

A regra do produto diz: “A probabilidade de dois eventos independentes

ocorrerem juntos (ao mesmo tempo) é igual ao produto das probabilidades de cada

um deles”. Exemplo: Uma mulher teve 2 crianças, qual a probabilidade que a

primeira seja menina e o segunda seja menino? Em cada nascimento a

probabilidade de ser menino ou de ser menina é a mesma, 1/2, e o nascimento de

cada filho é um evento independente já que nascimento do 1º não afeta ou não

50

interfere no nascimento do 2º. Logo a probabilidade da mulher ter o 1º menina e o

2º menino é igual ao produto das probabilidades individuais (1/2X1/2=1/4)

A regra da soma diz: “A probabilidade de dois eventos mutuamente exclusivos

ocorrerem é igual a soma das probabilidades de cada um ocorrer”.Exemplo; Qual a

probabilidade de em um nascimento nascer uma menina ou um menino? A

probabilidade é a soma das probabilidades individuais (P(menino=1/2))+

(P(menina=1/2)) = (1/2 + 1/2)= 1.

3.3.1. USANDO AS REGRAS DE PROBABILIDADE PARA REALIZAR

CRUZAMENTOS.

1. Em um cruzamento monogênico, qual a probabilidade de obtermos

indivíduos heterozigotos do cruzamento de um casal de heterozigotos

com genótipos Aa?

Cruzamento: Aa X Aa

A

1/2

a

1/2

A

1/2

AA

1/2x1/2=1/4

aA

1/2x1/2=1/4

a

1/2

Aa

1/2x1/2=1/4

aa

1/2x1/2=1/4

Proporção

genotípica

Proporção

fenótípica

1/4 AA 1/4+2/4 = 3/4 A_

Fenótipo

dominante

1/4 + 1/4 Aa= 2/4

1/4 = aa

Fenótipo

recessivo 1/4 = aa

♂

♀

51

2. Do cruzamento de duas plantas com genótipos Aa BB Cc Dd Ee X Aa Bb

Cc dd Ee qual a probabilidade de obtermos na prole um descendente

com o seguinte genótipo:

aa Bb Cc Dd ee

Resposta: Como cada característica segrega independente (são

eventos independentes); já que estamos considerando que se encontram

em cromossomos homólogos diferentes; poderemos achar a

probabilidade individual em cada cruzamento Aa X Aa. BB X Bb, Cc X Cc,

Dd X dd e Ee X Ee e depois multiplicar cada uma das probabilidades.

Aa X Aa = 1/4 aa; BB X Bb = 1/2 Bb; Cc X Cc = 1/2 Cc; Dd X dd = 1/2 Dd;

Ee X Ee = 1/4 ee.

P( aa Bb Cc Dd ee)= P(aa)XP(Bb)XP(Cc)XP(Dd)XP(ee)=

1/4X1/2X1/2X1/2X1/4= 1/128

3.3.2 QUANTOS GENÓTIPOS DISTINTOS UM CRUZAMENTO PRODUZ?

As regras de probabilidades podem ser facilmente utilizadas para prever

quantos genótipos ou fenótipos diferentes podem surgir na prole de linhagens

parentais complexas com quatro cinco ou mais pares de genes. Exemplo: No

cruzamento de tetra-híbrido quantos genótipos e quantos fenótipos diferentes

podem ter? Cruzamento tetra-híbrido: Aa Bb Cc Dd X Aa Bb Cc Dd. Cada

cruzamento individual gera 3 genótipos diferentes AA, Aa, aa e dois fenótipos

diferentes o dominante e o recessivo.podemos utilizar a fórmula 3n onde n é o

número de características individuais, ou seja o número de genótipos diferentes é:

34 = 81; já o número de fenótipos é 2n= 24 = 16.

Em um cruzamento teste Aa Bb Cc Dd X aa bb cc dd; cada cruzamento

individual produz 2 tipos de genótipos o Aa e o aa e também dois tipos de

fenótipos o dominante e o recessivo, nesse caso a mesma fórmula pode ser usada

tanto para calcular o genótipo quanto o fenótipo 2n = 24 = 16

52

GENÉTICA DE TRANSMISSÃO: EXTENSÕES DO MENDELISMO

53

EXTENSÕES DO MENDELISMO

INTRODUÇÃO

Os experimentos de Mendel estabeleceram que os genes existem em formas

alternativas (alelos). Na simplificação Mendeliana, para cada característica só

existiam dois alelos: o dominante que contribuía de forma definitiva para produzir

o fenótipo, e o recessivo que só se expressava na ausência do dominante. Hoje

sabemos que cada gene pode apresentar várias formas alélicas na natureza (que

surgem por mutação) e que essas várias formas podem apresentar efeitos

diferentes sobre o fenótipo. Evidentemente cada indivíduo diploide só pode

apresentar dois desses alelos, já que esses alelos se encontram na mesma posição

(locus) nos pares de cromossomos homólogos.

1. ALTERAÇÕES NAS PROPORÇÕES FENOTÍPICAS MENDELIANA

1. 1. DOMINÂNCIA INCOMPLETA

Na dominância completa, o alelo é dominante se tiver o mesmo efeito

fenotípico em dose dupla (AA) ou simples (Aa), e o organismo para essa

característica só apresenta dois fenótipos distintos, o dominante e o recessivo, (

representado pelo genótipo aa). No estudo da característica cor da flor em boca-

de-leão, Antirrhinum majus, foram observados três fenótipos diferentes: o

vermelho, o branco e o rosa. Ao ser realizado o cruzamento entre plantas de cor

vermelha(R1R1) e branca(R2R2), todos os descendentes F1 nasceram com uma cor

intermediária, rosa(R1R2). Ao cruzar as plantas de flores rosa (F1) nasceram em F2:

1/4 de plantas de flores vermelha; 2/4 plantas de flores rosa e 1/4 de plantas de

flores brancas, semelhante com a proporção genotípica de 1/4 R1R1; 2/4 R1R2 e

1/4 R2R2 obtida. A explicação para essa alteração na proporção fenotípica em

relação à proporção obtida por Mendel é que o alelo FV daria como produto gênico

final uma certa quantidade de pigmento, se ele aparece em dose dupla (FVFV =

fenótipo vermelho), ele produzirá duas vezes mais pigmento do que quando ele

aparece em dose simples (FVFB = fenótipo rosa), já o FBFB não produz pigmento,

54

resultando na cor branca. Esse tipo de herança não invalida a 1ª lei de Mendel,

mas apresenta uma proporção fenotípica diferente da obtida por ele em F2, e como

o fenótipo do heterozigoto é intermediário entre os dos homozigotos, foi

denominado de dominância incompleta. (fig. 2.1).

Figura 2.1: Dominância incompleta mostrada na cor da flor boca-de-leão. Fonte: Klug et

al.; 2010.

55

1.2. CODOMINÂNCIA

Outra exceção ao princípio de dominância completa surge quando um

heterozigoto apresenta característica encontrada em cada um dos homozigotos

associados, produzindo dois produtos gênicos detectáveis; nesse caso, a expressão

conjunta dos dois alelos no heterozigoto é denominada codominância. Um

exemplo desse tipo de herança é a do grupo sanguíneo do sistema MN, descoberto

por Karl Landsteiner e Philip Levin, controlado por alelos presentes no

cromossomo 4, indivíduos homozigotos para o alelo LM, produzem uma molécula

glicoprotéica na superfície dos eritrócitos que é um antígeno natural,

apresentando, dessa forma, o fenótipo grupo sanguíneo M; os que apresentam

somente alelos LN já produzem um outro tipo de glicoproteína na superfície das

hemácias que também funcionam como antígeno natural e o fenótipo é grupo

sanguíneo N; já o heterozigoto, que apresenta tanta o alelo LM, quanto o alelo LN

produzem os dois tipos de glicoproteínas e o fenótipo é grupo sanguíneo MN.

Como é previsto, um cruzamento entre dois genitores heterozigotos MN

pode produzir filhos com os três tipos de fenótipos, M, MN e N, na proporção de

1:2:1, semelhante à proporção genotípica.

Como não existe dominância completa entre os alelos, a notação genética

mais utilizada é a de representar os alelos com a mesma letra maiúscula e

sobrescrito a letra dos alelos alternativos. (fig.2.2).

Tabela representando os genótipos e fenótipos para a característica sistema sanguíneo MN


LMLM Grupo sanguíneo M

LMLN Grupo sanguíneo MN

LNLN Grupo sanguíneo N

Figura 2.2: Exemplo de codominância

56

1.3. ALELOS MÚLTIPLOS OU POLIALELIA

O conceito mendeliano de que os genes existem em não mais que dois

estados alélicos foi modificado quando se descobriu que a sequência de DNA, que

determina um gene, pode sofrer inúmeras mutações, em pontos diferentes,

originando diversos tipos de alelos. Esses diversos alelos só podem ser

identificados em um estudo genético populacional, já que nos organismos

diploides cada indivíduo só herda 2 alelos, presentes em um mesmo locus nos

cromossomos homólogos. Quando na população existem mais de dois estados

alélicos de um mesmo gene, estamos falando de alelos múltiplos ou polialelia.

Um dos exemplos clássicos de polialelia é a cor da pelagem em coelhos, que

apresenta 4 formas alélicas, cuja notação utilizada é c determina pelagem albina

(todo branco), ch, pelagem himalaia (corpo branco e as extremidades pretas, patas,

focinho e orelhas), cch, pelagem chinchila (pelagem branca com a ponta dos pelos

preta, o que dá uma ideia de conjunto acinzentado) e c+, pelagem selvagem (pelo

colorido por todo o corpo, normalmente castanho). O estudo de diversos

cruzamentos na população de coelhos permitiu determinar a relação de

dominância entre os diversos alelos. c+ > cch > ch > c, o sinal > indicando

dominância. (fig.2.3)

Tabela representando os diversos genótipos e fenótipos para a característica cor da pelagem em coelhos.


c+c+, c+cch , c+ch, , c+c Pelagem tipo selvagem

cchcch, cchch, , cchc Pelagem tipo chinchila

chch, chc Pelagem tipo himalaia

cc Pelagem branca ou albina

Figura 2.3: Exemplo de alelos múltiplos em coelhos

57

Outro exemplo de alelos múltiplos é o sistema sanguíneo ABO em humanos,

descoberto por Landsteiner, no início da década de 1900, e caracterizado pela

presença de antígenos na superfície dos eritrócitos. Com três alelos alternativos de

um gene, IA, IB e IO, a designação I representa isoaglutinogênio, outro termo para

antígeno, localizados em um locus do cromossomo 9. Mais uma vez lembrando que

apesar de na população encontrarmos três tipos de alelos para a determinação do

sistema sanguíneo ABO, cada indivíduo só é capaz de herdar dois desses alelos, um

que vem no cromossomo 9 de origem paterna e outro que vem no cromossomo 9

de origem materna.

O fenótipo ABO de qualquer indivíduo é averiguado mediante mistura de

uma amostra de sangue com um antissoro que contém anticorpos anti-A ou anti-B.

Se o antígeno estiver presente na superfície dos eritrócitos da pessoa, reagirá com

o anticorpo correspondente e causará agregação, ou aglutinação, dessas células

sanguíneas. Quando o indivíduo é testado desse modo, será revelado um entre

quatro fenótipos, se o indivíduo tiver o antígeno A ele será do grupo sanguíneo A,

caso tenha o antígeno B, ele será do grupo sanguíneo B, se tiver ambos os

antígenos, A e B, ele será do grupo sanguíneo AB, e caso não seja detectado

nenhum dos dois antígenos, ele será do grupo sanguíneo O.

Com relação aos genótipos, após estudos em muitas famílias diferentes,

chegou-se à conclusão de que, entre os três alelos encontrados na população, os

alelos IA e IB apresentam uma relação de codominância, e os alelos IA e IB com o

alelo IO uma relação de dominância, podendo ser encontrados os seguintes

genótipos e fenótipos na população, ver tabela abaixo na figura 2.4.

O conhecimento sobre os grupos sanguíneos humanos tem várias

aplicações. Uma das mais importantes é testar a compatibilidade das transfusões

de sangue. Outra aplicação envolve os casos de investigação de paternidade, em

que os recém-nascidos são inadvertidamente trocados no hospital, ou quando é

incerto se um homem específico é o pai de uma criança. Um exame dos grupos

sanguíneos ABO, assim como de outros antígenos hereditários, dos genitores e da

criança, pode ajudar a excluir a paternidade ou a maternidade, mas jamais prova a

paternidade ou maternidade.

58

1.3.1. MECANISMOS BIOQUÍMICOS PARA FORMAÇÃO DOS ANTÍGENOS A E B

Os antígenos A e B são carboidratos que se ligam a moléculas de

lipídeos(ácidos graxos) na superfície externa da membrana celular dos eritrócitos.

Tanto o antígeno A como o antígeno B têm como substância precursora uma

substância denominada substância H ou antígeno H, constituído por três

moléculas de carboidrato; galactose(Gal), N-acetilglicosamina (AcGluNH) e

fucose ligadas quimicamente. A especificidade dos antígenos A e B é dada pela

ligação química na porção terminal da substância H de mais um grupamento

carboidrato.

O produto gênico do alelo IA é uma enzima que adiciona à substância H o

carboidrato N-acetilglicosamina (AcGluNH). O alelo IB tem como produto uma

enzima modificada que só consegue adicionar a porção terminal da substância H

uma galactose(Gal). Indivíduos IAIB adicionam ou um ou outro na porção

terminal, e podemos encontrar, nesse caso, tanto substância H acrescida de

acetilglicosamina (AcGluNH), formando o antígeno A, ou acrescida de

galactose(Gal), formando o antígeno B nas superfícies dos eritrócitos. O alelo IO

apresenta uma mutação que não permite que seu produto gênico acrescente

Tabela representando os genótipos e fenótipos para a característica sistema sanguíneo ABO


IAIA, IAIO Grupo sanguíneo A

IBIB, IBIO Grupo sanguíneo B

IAIB Grupo sanguíneo AB

IOIO Grupo sanguíneo O

Figura 2.4: Exemplo de alelos múltiplos em humanos

59

nenhum carboidrato na porção terminal da substância H, sendo encontrada, em

indivíduos de fenótipo O, somente a substância H.(fig. 2.5)

1.3.2. O FENÓTIPO BOMBAIM

Em 1952, uma situação muito rara propiciou informações sobre a base

genética da substância H. Uma mulher, em Bombaim, Índia, ao necessitar de uma

transfusão, fez uma tipagem sanguínea e diagnosticou-se que ela não possuía

nenhum dos antígenos, A ou B sendo, portanto, do grupo sanguíneo O. Porém ao se

fazer a árvore genealógica dela, observou-se que um dos pais era do grupo AB e ela

Figura 2.5: Mecanismo

bioquímico para formação dos

antígenos A e B, a partir da

substância H, com a

participação dos genes IA e IB e

FUT1 na formação das enzimas

envolvidas. Fonte: Klug et al.;

2010.

60

tinha doado a dois filhos o alelo IB, o que é era inconsistente com a tipagem

sanguínea.

Posteriormente, demonstrou-se que a mulher era homozigota para uma

mutação recessiva rara em um gene denominado FUT1(codificador da enzima

fucosil-transferase), responsável pela ligação química na porção terminal da

substância H, da fucose. A substância H incompleta (sem fucose) não é reconhecida

pelas enzimas produzidas pelos genes IA e IB , não podendo formar os antígenos A

ou B e apresentando-se funcionalmente como do grupo O. Os filhos que herdaram

o alelo IB são heterozigotos para o gene FUT1, logo formam a substância H e

consequentemente os antígenos B.

1.4. GENES LETAIS

Um alelo que é capaz de causar a morte de um organismo é chamado de

alelo letal. Muitos produtos gênicos são essenciais ao desenvolvimento normal e à

sobrevivência de um organismo. Quando os genes que os produzem mutam, pode

resultar na morte prematura do organismo, dependendo da fase do

desenvolvimento (embrionário, primeira infância ou adulto) em que seu produto

gênico vai ser necessário. Quando, para ocorrer a morte do indivíduo, são

necessários dois alelos mutantes, chamamos a letalidade de recessiva, mas se um

único alelo mutante já determinar a morte do indivíduo, chamamos a letalidade de

dominante.

Existem alelos que podem determinar mais de uma característica, já que

seus produtos podem interferir em mais de uma via metabólica, quando isso

ocorre, chamamos o processo de pleiotropia

Um exemplo de genes letais é um gene pleiotrópico que participa da

determinação da cor da pelagem em camundongo e da sobrevida. O alelo AY

determina pelagem amarela, quando em heterozigose, enquanto o alelo A

determina pelagem aguti(cinzenta), quando em homozigose, porém o genótipo

AYAY mata ainda no período embrionário, não sendo encontrados camundongos

amarelos homozigotos. Logo o comportamento do alelo AY em relação à

sobrevivência é de letal recessivo, já que são necessários 2 alelos iguais para

61

causar a morte do camundongo, enquanto que, em relação à cor da pelagem, ele

comporta-se como um alelo dominante.

A letalidade também altera as proporções fenotípicas e genotípicas

mendelianas, já que alguns embriões morrem antes do nascimento, mudando

assim a proporção de nascidos vivos. Na figura 2.6, estão representados alguns

cruzamentos e as proporções fenotípicas e genotípicas resultantes desses

cruzamentos.

Figura 2.6: Exemplos de cruzamentos com alelo letal onde se percebe

alterações nas proporções fenotípicas e genotípicas. Fonte: Klug et al.;

2010.

62

O fenótipo sem cauda Manx em gatos também é produzido por um alelo que

é letal no estado homozigoto. Uma única dose do alelo Manx, ML, interfere

gravemente no desenvolvimento da coluna dorsal, resultando na falta de cauda no

heterozigoto MLM. Mas, no homozigoto MLML, a dupla dose do gene produz uma

anomalia tão extrema no desenvolvimento da coluna, que o embrião não

sobrevive.

Os alelos para cor da pelagem em camundongos e para o fenótipo sem

cauda Manx sendo genes pleiotrópicos apresentam fenótipos visíveis em

heterozigose, mas a maioria dos letais recessivos são silenciosos no heterozigoto.

Em tal situação, a letalidade recessiva é diagnosticada observando a morte de 25%

da prole em algum estágio do desenvolvimento.

Um exemplo de gene letal dominante é o da doença de Huntington, que se

caracteriza pela degeneração motora e nervosa, em humanos. Causada pelo alelo

autossômico dominante H, essa doença só se manifesta nos heterozigotos (Hh) na

idade adulta, permitindo assim que esses indivíduos cheguem à idade reprodutiva

e transmitam seus genes para os descendentes.

Genes letais dominantes são raros na população, quando causam morte

antes da idade reprodutiva, pois não permitem a perpetuação do alelo.

1.5. PENETRÂNCIA E EXPRESSIVIDADE

A herança monogênica estudada até agora produz mutantes e selvagens que

produzem claras proporções mendelianas. Em tais casos, podemos usar o fenótipo

para distinguir os genótipos mutantes e selvagens com quase 100% de certeza.

Mas existem muitos casos em que, mesmo o genótipo estando presente, o fenótipo

não é expresso. Sabemos, hoje, que a expressão do fenótipo não só depende do

genótipo e sim da interação desse genótipo com o meio interno celular, inclusive

com a possibilidade de interação com outros genes não caracterizados, com efeitos

epistáticos ou supressores, como também com o meio externo.

63

Definimos Penetrância como a porcentagem de indivíduos com um

determinado alelo que exibem o fenótipo associado a esse alelo. Nos casos em que

um determinado alelo está presente e expressa com 100% de certeza o fenótipo,

dizemos que a penetrância é completa. Mas quando um determinado alelo, como o

da polidactilia postaxial (herança autossômica dominante caracterizada por um

dedo extranumerário próximo ao quinto dedo da mão ou do pé) está presente, mas

o fenótipo só é expresso em 64,9% dos indivíduos, segundo estudo populacional na

África, a penetrância é dita incompleta, e a penetrância desse alelo é de 64,9%, ou

seja, 35,1% apesar de terem o genótipo para polidactilia, não apresentam o

fenótipo.

Outra medida para descrever a gama de expressão fenotípica é a chamada

de expressividade. A expressividade mede o grau em que determinado alelo é

expresso em nível fenotípico; isto é, a expressividade mede a intensidade do

fenótipo. Por exemplo, em cães da raça beagles, o alelo dominante, S, determina

pelagem homogênea, sem manchas, decorrente da distribuição homogênea dos

melanócitos. O alelo recessivo, s, determina uma distribuição heterogênea dos

melanócitos durante o desenvolvimento embrionário. Animais com genótipo SS ou

Ss, apresentam pelagem sem manchas, entretanto os com genótipos ss,

apresentam pelo menos 10 tipos diferentes de padrão de manchas( fenótipo

variegado), indo desde quase sem manchas até uniformemente pigmentados, como

o do genótipo dominante. Alelos que produzem fenótipos tão variados em seus

portadores, fala-se em expressividade gênica variável. (fig. 2.7)

64

1.6. INTERAÇÕES GÊNICAS NÃO ALÉLICAS

Caracteriza-se pela interação entre dois ou mais alelos, presentes no mesmo

ou em cromossomos homólogos diferentes, determinando uma mesma

característica.

A análise da proporção fenotípica entre os descendentes de um

cruzamento, além de informar quantos genes estão envolvidos na formação da

característica pode também revelar o tipo de interação entre eles.

1.6.1. INTERAÇÃO GÊNICA SIMPLES

Algumas das primeiras evidências de que uma característica pode ser

influenciada por mais de um gene foram obtidas por Bateson e Punnett, em 1905,

de experimentos de cruzamentos em galinhas. Tipos diferentes de galinhas

domésticas têm formas de cristas diferentes. As da raça Wyandottes têm cristas

rosa, as Brahmas têm cristas ervilhas, do cruzamento de Wyandottes e Brahmas

(cristas rosa e ervilha); apareceu outro tipo de crista denominada noz, e do

cruzamento de duas aves noz, obteveram-se quatro tipos de fenótipos: os três já

Figura 2.7: Representação

esquemática. Em cães da raça beagle

podem-se distinguir 10 padrões de

pelagem (ver no esquema, 1 a 10)

devidos à expressividade variável do

alelo que condiciona a variegação da

pelagem (Baseado em Griffiths, A. J.

F e cols., 1998). Fonte: Amabis, José


65

conhecidos, crista rosa, ervilha, noz e outro fenótipo chamado de crista simples em

galinhas da raça leghorns, pela proporção fenotípica da descendência, crista

simples é representado pelo genótipo duplo-recessivo.( fig. 2.8) Bateson e Punnett

descobriram que o tipo de crista é determinado pela interação de dois pares de

alelos que se segregam independentemente. Usando a notação E e e para

representar os alelos do par que determina a forma crista ervilha; a notação R e r

a forma da crista rosa; e E_ expressando que o genótipo pode ser EE ou Ee o

mesmo aplicável para o R_, representamos os genótipos da seguinte forma: O

genótipo E_ rr, determinaria o fenótipo crista ervilha; o genótipo

ee R_ o fenótipo crista rosa; E_ R_, resultante do cruzamento de aves de crista

ervilha com crista rosa, o fenótipo crista noz; e o genótipo ee rr o fenótipo crista

simples.(fig.2.8)

Figura 2.8: Formas das cristas de galinha de

raças diferentes. (a) Rosa, Wyandottes; (b)

Ervilha, Brahmas; (c) noz, híbrida do

cruzamento entre galinhas com cristas rosa e

ervilha; (d) simples, Leghorns.Fonte: Snustad,

D.Peter; Simmons, Michael J.,2008.

66

Outro exemplo de interação gênica simples é o que ocorre com a cor da

plumagem em periquitos australianos, esses periquitos apresentam um grande

gama de cores, determinadas por dezenas de genes. No entanto, na determinação

das cores básicas da plumagem dessas aves – verde, azul, amarela e branca - estão

envolvidos somente dois pares de alelos, o par A e a e o par B e b, que se segregam

independentemente. Periquitos homozigóticos recessivos apresentam genótipo aa

bb e um fenótipo branco para a plumagem; Periquitos aa B_ são amarelos; já os A_

bb são azuis e os A_ B_ são verdes. O cruzamento de periquitos verdes

heterozigotos produz os 4 tipos de fenótipos na proporção de 9/16 verde: 3/16

amarelo: 3/16 azul e 1/16 branco.

P Wyandotte

(rosa)

ee RR

X Brahma

(ervilha)

EE rr

Gametas e R E r

F1 Híbrido

Ee Rr

X

Híbrido

Ee Rr

Gametas masculinos

E R E r e R e r

F2 E R EE RR EE Rr Ee RR Ee Rr

Gametas

femininos

E r EE Rr EE rr Ee Rr Ee rr

e R Ee RR Ee Rr ee RR ee Rr

e r Ee Rr Ee rr ee Rr ee rr

Figura 2.9: O experimeto de Bateson e Punnett sobre a forma das cristas em galinhas. O

entrecruzamento na F1 produz quatro tipos de fenótipos, cada um destacado por uma cor

diferente no quadrado de Punnett, em uma proporção 9:3:3:1

67

Tanto o alelo A como o alelo B produzem pigmentos. O alelo A produz o

pigmento melanina (um pigmento escuro) que, devido à dispersão da luz na

superfície da pena, contra o fundo escuro de melanina no centro da pena, aparece

como azul. O alelo B produz um pigmento amarelo chamado psitacina, que se

deposita na pena. Os alelos a e b são formas alteradas e não produzem,

respectivamente, melanina e psitacina, dando um fenótipo branco. Quando os

alelos A e B estão constituindo um mesmo genótipo, a cor da plumagem é verde,

essa cor resulta da mistura do efeito visual azul, causado pela presença de

melanina, e do amarelo, causado pela presença do pigmento psitacina.(fig 2.10)

1.6.2. EPISTASIA

É um exemplo de interação onde o efeito de um gene ou de um par de genes

dissimula ou modifica o efeito de outro gene ou de outro par gênico. Às vezes, os

genes envolvidos influem na mesma característica fenotípica de modo antagonista,

o que leva à dissimulação. Em outros casos, entretanto, os genes envolvidos

exercem sua influência reciprocamente, de maneira complementar ou cooperativa.

Á Figura 2.10: Esquemas de cortes

transversais das penas de periquitos para

mostrar como a presença e a distribuição dos

pigmentos melanina e psitacina determinam a

cor da plumagem. (Baseado em Campbell, N. A.

e cols., 1994).Fonte: Amabis, José M.,Martho,

Gilberto R., 2006.

68

A epistasia pode ser recessiva, quando o par de alelos localizados em um

locus impede ou suprime a expressão, do par de alelos, em outro locus. O par que

tem o efeito supressor é dito epistático e o par suprimido é dito hipostático.

Um exemplo de epistasia recessiva, a que já nos referimos, é a do

fenótipo Bombaim, o gene H quando em homozigose recessiva suprime a

expressão dos genes IA ou IB, apresentando o portador desse genótipo, fenótipo do

grupo sanguíneo O.(fig.2.5 e 2.11)

Outro exemplo de epistasia recessiva é o da cor da pelagem em

camundongos. O gene A produz um pigmento que funciona como precursor dos

alelos P que determina cor aguti (base do pelo preto com ponta amarela), e do

alelo p que determina cor preta, o gene a é alterado e não origina esse precursor.

F1 G. sanguíneo AB

Hh IAIB

X

G. sanguíneo AB

Hh IAIB

Gametas masculinos

F2 H IA H IB h IA h IB

H IA HH IAIA HH IAIB HH IAIA Hh IAIB

Gametas H IB HH IAIB HHIBIB Hh IAIB HhIBIB

femininos h IA Hh IAIA Hh IAIB hh IAIA hh IAIB

h IB Hh IAIB Hh IBIB hhIAIB hhIBIB

Proporção Fenotípica: 6/16 G.S.AB; 3/16 G.S. B;

3/16 G.S.A; 4/16 G.S. O

Figura 2. 11: Representação do cruzamento de indivíduos do grupo sanguíneo AB, heterozigotos para

os genes H, com conseqüente surgimento do fenótipo Grupo sanguíneo O (G.S. O).

69

Quando o genótipo do camundongo é A_P_ ou A_ pp os camundongos são aguti ou

pretos, respectivamente. Mas se o gene for aaP_ ou aapp o fenótipo é

albino.(fig.2.12a e b)

Figura 2.12a: Representação esquemática da seqüência de reações

bioquímicas que levam à síntese do pigmento melanina no pêlo de

camundongos aguti, preto e albino. Cada transformação química é controlada

por uma enzima, fabricada por um gene específico. Fonte: Amabis, José


70

Quando um único alelo de um par já impede ou suprime o par de alelos de

outro locus, falamos em epistasia dominante.

O exemplo de epistasia dominante é o da cor do fruto em abobrinhas, o alelo

A impede ou suprime a expressão, enquanto o alelo a permite a expressão dos

alelos B e b, que se encontram em outro locus gênico, e determinam a cor amarela

Figura 2.12b: Representação esquemática do cruzamento de camundongos

em que a cor da pelagem resulta da epistasia recessiva. No cruzamento entre

animais duplo-heterozigóticos surge a proporção 9: 3 : 4, característica

desse tipo de epistasia. Fonte: Amabis, José M.,Martho, Gilberto R., 2006.

71

e cor verde respectivamente. Como esses alelos segregam independentemente a

proporção em F2 do cruzamento de duas plantas de abobrinhas brancas

heterozigotas é de 12 brancas para 3 amarelas para uma verde.(fig. 2.13)

A cor da plumagem em galinhas também exemplifica a interação epistática

dominante, os pares de alelos que participam são denominados I e i, e o outro par

C e c. A presença de I já suprime ou impede a expressão do C ou c. (fig 2.14)

P Abobrinha branca

AA BB

X Abobrinha verde

aa bb

Gametas A B a b

F1 Aa Bb X Aa Bb

Gametas

F2 A B A b a B a b

A B AA BB AA Bb Aa BB Aa Bb

Gametas A b AA Bb AA bb Aa Bb Aa bb

a B Aa BB Aa Bb aa BB aa Bb

a b Aa Bb Aa bb aa Bb aa bb

Proporção fenotípica: 12/16 abobrinha branca; 3/16 abobrinha amarela;

1/16 abobrinha verde

Figura 2.13: Quadrado de Punnett representativo de um cruzamento de plantas de abobrinhas em

que a determinação da cor da abobrinha é resultante de epistasia dominante, originando uma

proporção fenotípica modificada de 12: 3: 1.

72

1.6.3. INTERAÇÃO GÊNICA COMPLEMENTAR (GENES DUPLOS RECESSIVOS)

Bateson e Punnett, descobriram em ervilha-doce (Lathyrus odoratus) ao

cruzar duas plantas de flores brancas homozigotas que a F1 obtida eram todas de

flores púrpuras, e o resultado da F2 foi de 9 púrpuras para sete brancas, indicando

que ocorre segregação independente de dois pares de alelos, assim

denominados: em um locus B e b e no outro locus A e a. A explicação para esse

resultado é que a cor da flor da ervilha é dada pela interação complementar de dois

alelos, se o os dois alelos A e B estiverem presentes o pigmento será produzido e a

flor será púrpura, caso falte um dos dois – aa B_, A_ bb ou aa bb – a planta


esquemática do cruzamento de

galináceos para coloração das penas,

resultante de epistasia dominante,

originando uma proporção fenotípica

modificada de 13: 3, Essa proporção

difere do esperado para a epistasia

dominante pois o genótipo ii cc também

é branco pois os alelos hipostáticos cc

não produzem pigmentos. Fonte:

Amabis, José M.,Martho, Gilberto R.,

2006.

73

apresentará flor branca, os alelos recessivos aa ou bb dissimulam o expressão do

alelo dominante do outro locus . (fig. 2.15 e 2.16)

1.6.4. GENES DUPLOS COM EFEITO CUMULATIVO

Em abobrinha (Cucurbita pepo) a forma do fruto também é um exemplo de

interação determinada por dois pares de alelos que se segregam

independentemente. O fruto apresenta os fenótipos discoide, alongado e esférico. E

representaremos os alelos de um locus com as letras A e a e o outro par de alelos

com as letras B e b. Quando cruzamos uma planta de fruto discóide com uma de

fruto alongado, todos os descendentes em F1 apresentam fruto discoide, mas na

geração F2, resultantes do cruzamento de F1, aparecem plantas com fenótipo do

tipo esférico, diferente dos outros dois já apresentados. A explicação para esse

resultado é que a presença dos dois alelos A e B determinam o fenótipo discoide,

enquanto a ausência dos dois determina o fenótipo alongado, porém se só um dos

alelos A ou B estão presentes o fenótipo é esférico. Os genes A e B influenciam

igualmente na determinação dos fenótipos. (fig.2.17)

Gene A Gene B

MOLÉCULA

PRECURSORA

(INCOLOR)

A_

PRODUTO

INTERMEDIÁRIO

(INCOLOR)

B_

PRODUTO

FINAL

(PÚRPURA)

Figura 2.15: Representação esquemática da seqüência de reações bioquímicas que levam à síntese do

pigmento púrpura. Cada transformação química é controlada por uma enzima, fabricada por um gene

específico. São necessários ao dois alelos A e B para produção do pigmento. Interação gênica

complementar( genes duplos recessivos)

74

Figura 2.16: Representação esquemática de cruzamento entre duas linhagens de ervilha-

doce. Nessas linhagens, a coloração das flores depende da interação de dois pares de

alelos que se segregam independentemente. (Interação genes duplos recessivos ou

interação gênica complementar). Fonte: Amabis, José M.,Martho, Gilberto R., 2006.

75

Além dessas interações gênicas já mencionadas existem outras que

modificam as proporções fenotípicas de um cruzamento di-híbrido, representadas

na tabela abaixo.(fig.2.18)

Figura 2.17: Quadrado de Punnett representativo de um cruzamento de plantas de abobrinhas em que a

determinação da forma do fruto é resultante de genes duplos de efeitos cumulativos, originando uma

proporção fenotípica modificada de 9:6:1.

P Abobrinha discoide

AA BB

X Abobrinha alongados

aa bb

Gametas A B a b

F1 Discoide

Aa Bb

X Discoide

Aa Bb

Gametas

F2 A B A b a B a b

A B AA BB AA Bb Aa BB Aa Bb

Gametas A b AA Bb AA bb Aa Bb Aa bb

a B Aa BB Aa Bb aa BB aa Bb

a b Aa Bb Aa bb aa Bb aa bb

Proporção fenotípica: 9/16 abobrinha fruto discoide; 6/16 abobrinha

fruto esférico; 1/16 abobrinha fruto alongados

Fonte:Klug et. al.,2010

76

1.7. HERANÇA QUANTITATIVA OU POLIGÊNICA

Até agora a maior parte dos nossos exemplos sobre variações fenotípicas

eram tipos que podiam ser classificados em categorias diversas e separadas: as

características das ervilhas de Mendel eram bem contrastantes, cor do cotilédone

verde ou amarelo, textura da semente da ervilha, lisa ou rugosa, mesmo nos casos

de dominância incompleta, os fenótipos eram bem pontuais, no exemplo da flor

boca-de-leão, ela apresenta fenótipos, branco, rosa e vermelho; o grupo sanguíneo

ABO, pode ser A, B, AB, O. Cada uma das características citadas apresenta

genótipos distintos que determinam fenótipos distintos. Quando isso ocorre,

falamos que essas características apresentam variação descontínua. Embora

Figura 2.18: Tabela representativa dos principais tipos de interações gênicas, onde se encontra

relacionado os possíveis genótipos com as proporções fenotípicas do cruzamento de dois duplo-

heterozigotos

Tipos de Interação Genótipos

A_ B_ A_ bb aa B_ aabb

Interação gênica simples 9 3 3 1

Epistasia dominante 12 3 1

Epistasia recessiva 9 3 4

Genes duplos com efeito

cumulativo

9 6 1

Genes duplos dominantes 15 1

Genes duplos recessivos 9 7

Interação dominante e recessiva 13 3

77

fenômenos como penetrância, expressividade variável, pleiotropia e epistasia

possam confundir um pouco a relação genótipo-fenótipo.

Na herança quantitativa, nós vamos estudar características que apresentam

uma variedade contínua de fenótipos, essa variedade contínua pode ser medida e

descrita em termos quantitativos, onde cada genótipo contribui com uma pequena

parcela para determinar o fenótipo, logo esses fenótipos são resultantes da

contribuição aditiva de dois, três ou um grande número de genes, por isso o nome

dado a esse estudo é herança quantitativa ou poligênica.

São exemplos de herança poligênica ou quantitativa a cor da pele, a altura,

ou o peso na espécie humana, a produção de leite ou de carne no gado, a

produtividade das colheitas e o conteúdo proteico das sementes.

Na herança quantitativa, o genótipo estabelece os limites quantitativos na

fertilização, mas os fenótipos sofrem grande influência do ambiente, por exemplo,

a altura humana é parte geneticamente determinada, mas se a pessoa tem uma boa

alimentação, pratica esportes etc. pode atingir, dentro de uma determinada faixa

de variação da altura genética, a maior altura. Os fenótipos que resultam da ação

gênica e de influências ambientais, às vezes, são denominados características

complexas ou multifatoriais.

Além das características quantitativas contínuas, em que a variação

fenotípica pode situar-se em qualquer ponto de uma variedade de medidas, há

duas outras classes de características poligênicas:

Características merísticas são aquelas em que os fenótipos são descritos

por números inteiros. Exemplo: o número de sementes por vagem, ou o número de

ovos postos por uma galinha, em um ano. São características quantitativas, mas

não têm uma infinidade de fenótipos: Por exemplo, a vagem pode conter 2 ou 4 ou

6 sementes, mas não 5,75.

Características com limiar são características poligênicas, mas que

apresentam só poucos tipos de fenótipos distintos na população. Sofrem grande

influência dos fatores ambientais, sendo, portanto, características multifatoriais.

São de grande interesse dos geneticistas humanos, pois um grande número de

doenças apresenta esse padrão de herança. Exemplo: a diabetes tipo II, a

esquizofrenia, o transtorno afetivo bipolar etc. Em humanos, a evidência de que

78

tais características são influenciadas por fatores genéticos vem de comparações

entre parentes, especialmente gêmeos.

1.7.1. AS CARACTERÍSTICAS QUANTITATIVAS PODEM SER EXPLICADAS EM

TERMOS MENDELIANOS

No início da década de 1900, a explicação da variação fenotípica contínua,

em termos mendelianos, causou muita controvérsia, mas Bateson e Gudny Yule

propuseram a hipótese dos fatores múltiplos ou genes múltiplos, na qual

muitos genes, cada um comportando-se mendelianamente, contribuíam para o

fenótipo de forma cumulativa ou quantitativa. Essa hipótese foi sustentada pelos

resultados experimentais, publicados pelo trabalho com a característica cor do

grão de trigo desenvolvido por Hermann Nilsson-Ehle.

Nilsson-Ehle iniciou seu trabalho cruzando plantas de trigo de grão

vermelho escuro com plantas de trigo de grãos branco, obtendo em F1 todas as

plantas com uma cor intermediária (vermelha), o que inicialmente o fez suspeitar

de dominância incompleta entre dois alelos de um mesmo locus, mas ao cruzar as

plantas F1, obteve em F2 15/16 plantas com grão que variavam em tons de

vermelho, podendo ser distinguidos até 4 tons de vermelho, e o 1/16 branco,

sugerindo que era uma herança com dois pares de alelos que se segregavam

independentemente.

Cada par tinha um alelo que contribuía de forma aditiva para compor o

fenótipo grão vermelho, e outro que não adicionava nada na formação do fenótipo.

Representando os alelos como A e a e B e b, os que apresentavam fenótipo grão

vermelho escuro possuíam um genótipo com o máximo de genes aditivos AA BB, já

os que eram brancos, apresentavam seu genótipo sem nenhum gene aditivo, aa bb.

F2 então ficou com cinco classes fenotípicas, a primeira representada por 4 alelos

aditivo, AA BB, e fenótipo vermelho escuro; a segunda por 3 alelos aditivos, Aa BB

ou AA Bb e fenótipo vermelho médio; a terceira com 2 alelos aditivos, AA bb, aa BB,

Aa Bb e fenótipo vermelho; a quarta com 1 alelo aditivo, Aa bb ou aa Bb e fenótipo

vermelho claro e a quinta e última classe com 0 alelos aditivo e fenótipo grão

branco. (fig.2.19)

79

Se fizermos um gráfico da distribuição da cor do grão em trigo, ou da

estatura, ou da cor da pele em humanos etc. observaremos que todas essas

características quantitativas apresentam uma mesma curva de distribuição, que

chamamos de curva de distribuição normal, ou curva em forma de sino. (fig. 2.20)

Figura 2.19: Representação esquemática

do cruzamento entre plantas de trigo

produtoras de grão vermelhos-escuro e

brancos. A proporção obtida na geração F2

mostra tratar-se de um caso de herança

quantitativa ou poligênica. Fonte: Amabis,

José M.,Martho, Gilberto R., 2006.

80

Figura 2.20: Representação esquemática de um gráfico de distribuição normal da

herança poligênica da cor do grão de trigo , determinada por 2 pares de alelos que se

segregam independentemente , com efeito aditivo

1.7.2. CALCULANDO O NÚMERO DE POLIGENES

Para estimar o número de genes (quantos pares de alelos) envolvidos na

determinação de uma característica quantitativa, pode-se usar a fórmula 1/4n =

relação entre os indivíduos F2 que expressam um dos dois fenótipos extremos. Ou

1/2n relação entre os indivíduos F2 que expressam um dos dois fenótipos

extremos, nesse caso obteremos o número de alelos envolvidos na herança

quantitativa (fig. 2.21).

Quando o número de poligenes é pequeno, às vezes, é mais fácil usar a

equação (2n+1) = número observado de categorias fenotípicas distintas.

Do cruzamento onde os dois genitores são heterozigotos para todos os

genes, pode-se determinar a proporção fenotípica de cada uma das classes

fenotípicas formadas, usando-se o triângulo de Pascal. Vamos supor que desejamos

saber a proporção fenotípica obtida no cruzamento entre dois híbridos para três

pares de genes de efeito cumulativo. Sabemos, pela fórmula, que o número de

fenótipos será sete. Construímos um triângulo com sete linhas. Na primeira,

colocamos o número 1. Os números das linhas começam sempre por 1, e os

números seguintes são obtidos somando o número imediatamente acima com o

6/16

4/16

1/16

Vermelho escuro

Vermelho

médio

Vermelho Vermelho

claro

Branco

81

que está à esquerda dele (quando não houver número acima ou à esquerda,

considera-se zero). Todas as linhas terminam novamente com o número 1:

1

1 1

1 2 1

1 3 3 1

1 4 6 4 1

1 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 6 1

Na sétima linha podemos ver que a proporção fenotípica para três pares de

genes na herança quantitativa (no cruzamento de dois indivíduos heterozigotos) é

1 : 6: 15 : 20 : 15 : 6 : 1.

Determinação do número de poligenes(n) envolvidos em

uma característica quantitativa

n Indivíduos que expressam um dos

fenótipos extremos

Classes fenotípicas

distintas

1 1/41 = 1/4 3

2 1/42 = 1/16 5

3 1/43 = 1/64 7

4 1/44 =1/256 9

5 1/45 = 1/1024 11

Figura 2.21: Representação na tabela do número de classes fenotípicas , e do

número de genes envolvidos em uma característica quantitativa.Fonte: Klug

et. al., 2010

82

GENÉTICA DE TRANSMISSÃO:

HERANÇA E SEXO

83

HERANÇA E SEXO

INTRODUÇÃO

Todos os casos que você estudou em genética, até agora, tinham uma coisa

em comum: as características de um indivíduo sempre dependiam dos genes que

ele herdava, independentemente de terem sido transmitidos pelo pai ou pela mãe.

Analisemos o conhecido caso do albinismo: pai normal (AA) e mãe albina

(aa) têm sempre descendentes normais (Aa). Também mãe normal (AA) e pai

albino (aa) geram crianças normais (Aa). Não importa qual dos progenitores, pai

ou mãe, tenha transmitido o gene A; em qualquer caso, ele condicionará produção

de melanina e pigmentação normal nos filhos.

Nesse tipo de herança, além disso, há outro fato: a criança que recebe um

gene dominante, não importando se é um menino ou uma menina, manifestará

aquele caráter. A característica não tem “preferência” por um dos sexos.

Há casos, no entanto, em que a herança da característica parece depender

tanto do sexo do progenitor, que transmite o gene, quanto do sexo da criança que

recebe o gene.

Há, na espécie humana, uma característica chamada daltonismo, em que a

pessoa se confunde na percepção de certas cores, muitas vezes do verde com o

vermelho. Quando um homem daltônico se casa com uma mulher normal, na

família da qual não há casos de daltonismo, todas as crianças, meninos e meninas,

nascem com visão normal. No entanto, quando uma mulher daltônica se casa com

um homem normal, todas as meninas, filhas do casal, nascem normais, porém

todos os meninos nascem daltônicos. Nesse caso, portanto, parece fazer diferença

não apenas o sexo de quem transmite o gene para o daltonismo, mas também o

sexo de quem recebe o gene. Além disso, percebe-se que existem muito mais

homens daltônicos do que mulheres daltônicas, diferentemente do caso do

albinismo, que se distribui mais ou menos da mesma forma nos dois sexos.

84

Foi demonstrado, na década de 1910, que os genes se localizam nos

cromossomos, filamentos existentes nos núcleos das células. Quando se tentou

entender casos de herança como o daltonismo, procurou-se, ao microscópico, por

uma diferença entre os cromossomos de homens e os de mulheres que pudessem

justificar a diferença no modo de transmissão da característica. Descobriu-se,

finalmente, que surgiu a suspeita de que a herança do daltonismo pudesse ser

explicada por esse par de cromossomos diferentes, que foram chamados de

cromossomos sexuais, enquanto os demais cromossomos eram chamados de

autossomos.

Os demais tipos de genes, como o do albinismo, ficariam nos autossomos.

No decorrer desse capítulo, você entenderá como o daltonismo e outras heranças

semelhantes relacionadas com os cromossomos sexuais são transmitidas de pais

para filhos.

1. CROMOSSOMOS SEXUAIS

Em condições normais, qualquer célula diploide humana contém 23 pares

de cromossomos homólogos, isto é, 2n = 46. Dos 46 cromossomos, 23 são de

origem paterna e 23, de origem materna. Desses cromossomos, 44 são autossomos,

que não têm implicação com o sexo, e 2 são os cromossomos sexuais, também

conhecidos como heterossomos, os quais participam da determinação do sexo do

indivíduo.

Os cromossomos autossômicos são os relacionados às características

comuns aos dois sexos, enquanto os sexuais são os responsáveis pelas

características próprias de cada sexo. A formação de órgãos somáticos, tais como

fígado, baço, o estômago e outros, deve-se a genes localizados nos autossomos,

visto que esses órgãos existem nos dois sexos. O conjunto haploide de autossomos

de uma célula é representado pela letra A. Por outro lado, a formação dos órgãos

reprodutores, testículos e ovários, característicos de cada sexo, é condicionada por

genes localizados nos cromossomos sexuais e são representados, de modo geral,

por X e Y. O cromossomo Y é exclusivo do sexo masculino. O cromossomo X existe

85

na mulher em dose dupla, enquanto no homem ele se encontra em dose simples.

Assim, temos:

Homens: 44 autossomos + 2 sexuais (44A + XY)

Mulheres: 44 autossomos + 2 sexuais (44A + XX)

O cromossomo Y é mais curto e possui menos genes que o cromossomo X,

além de conter uma porção encurtada, em que existem genes exclusivos do sexo

masculino. Observe na figura acima que uma parte do cromossomo X não possui

alelos em Y, isto é, entre os dois cromossomos há uma região não-homóloga.

Figura3.1: Microscopia Eletrônica do

cromossomo X e Y. Diferença de

tamanho de cada cromossomo.

Fonte:http://www.sobiologia.com.br/co

nteudos/Genetica/herancaesexo.php

Figura 3.2: Representação esquemática dos cromossomos X e Y, indicando as

regiões homólogas. (cores fantasia) Fonte: César e Sezar, 2005.

86

Observe o esquema acima: lado a lado, observamos a representação de um

cromossomo X, maior, e de um cromossomo Y, menor. Primeira informação

importante: nesses cromossomos, na hora da meiose, ocorre pareamento somente

da porção representada em amarelo no esquema; por isso, eles são considerados

parcialmente homólogos.

Os genes localizados na região do cromossomo X, representada em

vermelho, são exclusivos do X, não existindo no Y; assim, para os caracteres

condicionados por esses genes, as mulheres possuem dois exemplares do gene,

enquanto os homens apresentam apenas um exemplar do gene, localizado no único

X que eles têm. Esses genes determinam a herança ligada ao X ou herança ligada

ao sexo.

A região do cromossomo Y, representada em azul, contém genes exclusivos

do Y e que serão encontrados somente nos homens. Os genes dessa região

condicionam assim a herança ligada ao Y, herança holândrica ou herança

restrita ao sexo, característica exclusiva dos indivíduos de sexo masculino.

Por fim, as regiões do X e do Y, representadas em amarelo, são homólogas.

Isso quer dizer que tanto o macho quanto a fêmea possuem dois genes para

características determinadas por essa região. Fala-se em herança parcialmente

ligada ao sexo, que é idêntica, quanto aos resultados à herança autossômica.

2. DETERMINAÇÃO GENÉTICA DO SEXO

Existem dois grandes grupos de mecanismos de determinação do sexo em

animais: o grupo que envolve apenas os cromossomos sexuais, do qual fazem parte

os sistemas XY, X0, ZW e Z0, e o grupo que não envolve os cromossomos sexuais,

interferindo nesse caso outros fatores, como os ambientais (temperatura, por

exemplo).

87

2.1. O SISTEMA XY

Em algumas espécies animais, incluindo a humana, a constituição genética

dos indivíduos do sexo masculino é representada por 2AXY e a dos gametas por

eles produzidos, AX e AY; na fêmea, cuja constituição genética é indicada por 2AXX,

produzem-se apenas gametas AX. No homem, a constituição genética é

representada por 44XY e a dos gametas por ele produzidos, 22X e 22Y; na mulher

44XX e os gametas, 22X.

2.2. MECANISMO DE COMPENSAÇÃO DE DOSE

Em 1949, o pesquisador inglês Murray Barr descobriu que há uma diferença

entre os núcleos interfásicos das células masculinas e femininas: na periferia dos

núcleos das células femininas dos mamíferos existe uma massa de cromatina que

não existe nas células masculinas. Essa cromatina possibilita identificar o sexo

Figura 3.3: Representação esquemática

do Sistema XY

Fonte:

http://www.sobiologia.com.br/conteudos

/Genetica/herancaesexo.php

88

celular dos indivíduos pelo simples exame dos núcleos interfásicos: a ela dá-se o

nome de cromatina sexual ou corpúsculo de Barr.

A partir da década de 1960, evidências permitiram que a pesquisadora

inglesa Mary Lyon levantasse a hipótese de que cada corpúsculo de Barr fosse um

cromossomo X que, na célula interfásica, se espirala e se torna inativo, dessa forma

esse corpúsculo cora-se mais intensamente que todos os demais cromossomos,

que se encontram ativos e na forma desespiralada de fios de cromatina.

Segundo a hipótese de Lyon, a inativação atinge ao acaso qualquer um dos

dois cromossomos X da mulher, seja o proveniente do espermatozoide ou do óvulo

dos progenitores. Alguns autores acreditam que a inativação de um cromossomo X

da mulher seria uma forma de igualar a quantidade de genes nos dois sexos. A esse

mecanismo chamam de compensação de dose.

Como a inativação ocorre ao acaso e em uma fase do desenvolvimento na

qual o número de células é relativamente pequeno, é de se esperar que metade das

células de uma mulher tenha ativo o X de origem paterna, enquanto que a outra

metade tenha o X de origem materna em funcionamento. Por isso, diz-se que as

mulheres s~o “mosaicos”, pois – quanto aos cromossomos sexuais apresentam

dois tipos de células.

A determinação do sexo nuclear (presença do corpúsculo de Barr) tem sido

utilizada em jogos olímpicos, quando há dúvidas quanto ao sexo do indivíduo.

89

2.3. O SISTEMA X0

Em algumas espécies, principalmente em insetos, o macho não tem o

cromossomo Y, somente o X; a fêmea continua portadora do par cromossômico

sexual X. Pela ausência do cromossomo sexual Y, chamamos a esse sistema de

sistema X0. As fêmeas são representadas por 2A + XX (homogaméticas) e os

machos 2A + X0 (heterogaméticos).

2.4. O SISTEMA ZW

Em muitas aves (inclusive os nossos conhecidos galos e galinhas),

borboletas e alguns peixes, a composição cromossômica do sexo é oposta à que

acabamos de estudar: o sexo homogamético é o masculino, enquanto as fêmeas são

heterogaméticas. Também a simbologia utilizada, nesse caso, para não causar

confusão com o sistema XY, é diferente: os cromossomos sexuais dos machos são

representados por ZZ, enquanto nas fêmeas os cromossomos sexuais são

representados por ZW.

Figura 3.4: Compare quanto à presença

do corpúsculo de Barr nas células

masculinas (acima) e femininas (abaixo).

Fonte:

http://www.sobiologia.com.br/conteudos/

Genetica/herancaesexo.php

90

2.5. O SISTEMA Z0

Uma variante do ZW é o sistema Z0. As fêmeas continuam sendo o sexo

heterogamético, porém apresentam apenas um cromossomo Z; assim, elas fazem

óvulos com e óvulos sem o cromossomo Z, enquanto os machos sempre produzem

espermatozoides com um cromossomo Z. Esse sistema existe em galinhas

domésticas e em répteis.

2.6. ABELHAS E PARTENOGÊNESE

Nas abelhas, a determinação sexual difere acentuadamente da que até agora

foi estudada. Nesses insetos, o sexo não depende da presença de cromossomos

sexuais, e sim da ploidia. Assim, os machos (zangões) são sempre haploides,

Figura 3.5: Esquema de alguns

casos de determinação do sexo.

Fonte:

http://www.sobiologia.com.br/cont

eudos/Genetica/herancaesexo.php

91

enquanto as fêmeas são diploides. A rainha é a única fêmea fértil da colmeia e, por

meiose, produz centenas de óvulos, muitos dos quais serão fecundados. Óvulos

fecundados originam zigotos que se desenvolvem em fêmeas. Se na fase larval,

essas fêmeas receberem uma alimentação especial, transformar-se-ão em novas

rainhas. Caso contrário, desenvolver-se-ão em operárias, que são estéreis.

Os óvulos não fecundados desenvolvem-se por mitose em machos

haploides. Esse processo é chamado de partenogênese (do grego, partheno =

virgem, gênesis = origem), ou seja, é considerado um processo de desenvolvimento

de óvulos não-fertilizados em indivíduos adultos haploides.

2.7. DETERMINAÇÃO DO SEXO EM PLANTAS

Grande parte das plantas produz flores hermafroditas, que contêm tanto

estruturas reprodutoras masculinas como femininas. Plantas desse tipo são

monoicas (do grego mono, um, e oikos, casa), termo que significa “uma casa para

dois sexos”. Outras espécies têm sexos separados, com plantas que produzem

flores masculinas e plantas que produzem flores femininas. Essas espécies são

denominadas dioicas (do grego di, duas, e oikos, casa), termo que significa “duas

casas, uma para cada sexo”.

92

Nas plantas dióicas, os sexos são determinados de forma semelhante à dos

animais. O espinafre e o cânhamo, por exemplo, têm sistema XY de determinação

do sexo; já o morando segue o sistema ZW.

2.8. ORGANISMOS QUE NÃO TÊM SISTEMA DE DETERMINAÇÃO DO SEXO

Os organismos monoicos (hermafroditas) não apresentam qualquer sistema

de determinação cromossômica ou genética de sexo. Todos os indivíduos da

espécie têm, basicamente, o mesmo cariótipo. Esse é o caso da maioria das plantas

e de animais como minhocas, caramujos e caracóis.

3. HERANÇA LIGADA AO SEXO

Habitualmente, classificam-se os casos de herança relacionada com o sexo

de acordo com a posição ocupada pelos genes, nos cromossomos sexuais. Para

tanto, vamos dividi-los em regiões.

A porção homóloga do cromossomo X possui genes que têm

correspondência com os genes da porção homóloga do cromossomo Y. Portanto, há

genes alelos entre X e Y, nessas regiões. Os genes da porção heteróloga do

cromossomo X não encontram correspondência com os genes da porção

heteróloga do cromossomo Y. Logo, não há genes alelos nessas regiões, quando um

cromossomo X se emparelha com um cromossomo Y.

93

Herança ligada ao sexo é aquela determinada por genes localizados na

região heteróloga do cromossomo X. Como as mulheres possuem dois

cromossomos X, elas têm duas dessas regiões. Já os homens, como possuem apenas

um cromossomo X (pois são XY), têm apenas um de cada gene. Um gene recessivo

presente no cromossomo X de um homem irá se manifestar, uma vez que não há

um alelo dominante que impeça a sua expressão.

O fato de a mulher apresentar dois cromossomos X permite concluir que

ela é sempre portadora de genes ligados ao sexo em dose dupla, formando pares de

alelos. Já o homem, por apresentar apenas um cromossomo X, tem esses genes

sempre em dose simples. No que se refere a esses caracteres ligados ao sexo,

costuma-se dizer que a mulher pode ser homozigota ou heterozigota, enquanto o

homem será sempre hemizigoto.

Nos humanos, os principais exemplos de herança ligada ao sexo são:

3.1. DALTONISMO

O daltonismo tem esse nome por ter sido descrito por John Dalton,

consagrado químico inglês, nascido em 1776 e falecido em 1844. Em 1794, ele

descreveu a cegueira parcial para cores, usando o seu próprio exemplo e o de seu

irmão, ambos daltônicos.

Trata-se da incapacidade relativa na distinção de certas cores que, na sua

forma clássica, geralmente cria confusão entre o verde e o vermelho. É um

distúrbio causado por um gene recessivo localizado na porção heteróloga do

cromossomo X, o gene Xd, enquanto o seu alelo dominante XD determina a visão

normal.

A mulher de genótipo XDXd, embora possua um gene para o daltonismo, não

manifesta a doença, pois se trata de um gene recessivo. Ela é chamada de

portadora do gene para o daltonismo. O homem de genótipo XdY, apesar de ter o

gene Xd em dose simples, manifesta a doença pela ausência do alelo dominante

capaz de impedir a expressão do gene recessivo.

94

O homem XdY não é nem homozigoto ou heterozigoto: é hemizigoto

recessivo, pois do par de genes ele só possui um. O homem de genótipo XDY é

hemizigoto dominante.

Se você consegue distinguir perfeitamente o número 74 entre as bolinhas

da figura acima, então você não é daltônico.

3.2. HEMOFILIA

É um distúrbio da coagulação sanguínea, em que falta o fator VIII, uma das

proteínas envolvidas no processo, encontrado no plasma das pessoas normais. As

pessoas hemofílicas têm uma tendência a apresentarem hemorragias graves

depois de traumatismos banais, como um pequeno ferimento ou uma extração

dentária. O tratamento da hemofilia consiste na administração do fator VIII

purificado, ou de derivados de sangue em que ele pode ser encontrado

(transfusões de sangue ou de plasma). Pelo uso frequente de sangue e de

derivados, os pacientes hemofílicos apresentam uma elevada incidência de AIDS e

de hepatite tipo B, doenças transmitidas através dessas vias.

A hemofilia atinge cerca de 300.000 pessoas. È condicionada por um gene

recessivo, representado por h, localizado no cromossomo X. É pouco frequente o

nascimento de mulheres hemofílicas, já que a mulher, para apresentar a doença,

95

deve ser descendente de um hímen doente (XhY) e de uma mulher portadora

(XHXh) ou hemofílica (XhXh). Como esse tipo de cruzamento é extremamente raro,

acredita-se que praticamente inexistiriam mulheres hemofílicas. No entanto, já

foram relatados casos de hemofílicas, contrariando assim a noção popular de que

essas mulheres morreriam por hemorragia, após a primeira menstruação (a

interrupção do fluxo menstrual deve-se à contração dos vasos sanguíneos do

endométrio, e não à coagulação do sangue).

Figura 3.6: Hemofilia – dois possíveis tipos de casamento, A e B. Fonte: César e

Sezar, 2005.

96

3.3. HERANÇA LIGADA AO SEXO EM DROSÓFILA

Em 1910, Morgan estudou um macho de drosófila portador de olho branco,

originado de uma mutação do olho selvagem, que tem cor marrom avermelhada. O

cruzamento desse macho de olho branco (white) com fêmeas de olho selvagem

originou, na geração F1, apenas descendentes de olho selvagem. O cruzamento de

machos e fêmeas da geração F1 resultou em uma geração F2 constituída por fêmeas

de olho selvagem, machos de olho selvagem e machos de olho branco. A proporção

de moscas de olho selvagem e moscas de olho branco foi de aproximadamente 3:1,

o que permitiu concluir que a característica olho branco era hereditária e

recessiva.

Morgan voltou sua atenção para o fato de não ter nascido nenhuma fêmea

de olho branco na geração F2. Isso indicava que a característica em questão tinha

alguma relação com o sexo dos indivíduos. Na sequência dos experimentos,

Morgan cruzou machos de olho branco com as suas próprias filhas, que eram

heterozigotas em relação à cor do olho. Desse cruzamento, surgiram fêmeas e

machos de olho selvagem, e fêmeas e machos de olho branco, na proporção 1:1:1:1.

Esse resultado mostrou que o caráter olho branco podia aparecer também nas

fêmeas. Como explicar, então, a ausência de fêmeas de olho branco na geração F2

do primeiro cruzamento?

Em 1911, Morgan concluiu que os resultados dos cruzamentos envolvendo

o loco da cor do olho, em drosófila, podiam ser explicados admitindo-se que ele

estivesse localizado no cromossomo X. O macho de olho branco original teria

fornecido seu cromossomo X, portador do alelo recessivo mutante w (Xw), a todas

as filhas que receberam seu outro cromossomo X das mães, portadoras do alelo

selvagem W (XW). As fêmeas da geração F1 seriam, portanto, heterozigotas XWXw.

Já os machos de F1 receberam o cromossomo X das fêmeas selvagens puras (XW).

Sua constituição gênica seria, portanto, XWY.

A hipótese de Morgan foi confirmada pela análise de outros genes de

drosófila, cuja herança seguia o mesmo padrão. Além disso, permitiu também

explicar a herança de genes relacionados com o sexo em outras espécies.

97

Figura 3.7: Esquema de herança ligada ao sexo em drosófila. Fonte:

http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Genetica/herancaesexo.php

98

4. HERANÇA RESTRITA AO SEXO

O cromossomo Y possui alguns genes que lhe são exclusivos, na porção

encurvada que não é homóloga ao X. Esses genes, também conhecidos como genes

holândricos, caracterizam a chamada herança restrita ao sexo.

Não há duvidas de que a masculinização está ligada ao cromossomo Y. Um

gene que tem um papel importante nesse fato é o TDF (iniciais de testis-

determining factor), também chamado de SRY (iniciais de sex-determining region

of Y chromossome), que codifica o fator determinante de testículos. O gene TDF já

foi identificado e está localizado na região não-homóloga do cromossomo Y.

Tradicionalmente, a hipertricose, ou seja, presença de pelos no pavilhão

auditivo dos homens, era citada como um exemplo de herança restrita ao sexo. No

entanto, a evidência de que a hipertricose deve-se a uma herança ligada ao Y está

sendo considerada inconclusiva, pois, em algumas famílias estudadas, os pais com

hiperticose tiveram filhos homens com e sem pelos nas bordas das orelhas.

Na herança restrita ao sexo verdadeira: Todo homem afetado é filho de

um homem também afetado; todos os seus filhos serão afetados, e as filhas

serão normais.

5. HERANÇA INFLUENCIADA PELO SEXO

Nessa categoria, incluem-se as características determinadas por genes

localizados nos cromossomos autossomos cuja expressão é, de alguma forma,

influenciada pelo sexo do portador. Nesse grupo, há diversas modalidades de

herança, das quais ressaltaremos a mais conhecida, a dominância influenciada

pelo sexo, herança em que, dentro do par de genes autossômicos, um deles é

dominante nos homens e recessivo nas mulheres, e o inverso ocorre com o seu

alelo. Na espécie humana, temos o caso da calvície.

99


Homem Mulher

CC Calvo Calva

CC’ Calvo Não-calva

C’C’ Não-calvo Não-calva

Outras formas de herança autossômica influenciada pelo sexo são a

penetrância influenciada pelo sexo e a expressividade influenciada pelo sexo.

Na espécie humana, a ocorrência de más formações de vias urinárias apresenta

uma penetrância muito maior entre os homens do que entre as mulheres. Elas,

portanto, ainda que possuam o genótipo causador da anormalidade, podem não vir

a manifestá-la. A expressividade também pode ser influenciada pelo sexo. Um

exemplo bem conhecido é o do lábio leporino, falha de fechamento dos lábios.

Entre os meninos, a doença assume intensidade maior que nas meninas, nas quais

os defeitos geralmente são mais discretos.

Basicamente, há duas evidências que permitem suspeitar de um caso de

herança relacionada com o sexo:

1. quando o cruzamento de um macho afetado com uma fêmea não afetada

gera uma descendência diferente do cruzamento entre um macho não

afetado com uma fêmea afetada;

2. quando a proporção fenotípica entre os descendentes do sexo masculino

forem nitidamente diferentes da proporção nos descendentes do sexo

feminino.

100

GENÉTICA DE TRANSMISSÃO: LIGAÇÃO E MAPAS GENÉTICOS

101

LIGAÇÃO, CROSSING-OVER E MAPEAMENTO GENÉTICO EM EUCARIONTES

INTRODUÇÃO

Neste capítulo, vamos falar um pouco de características genéticas, onde a 2ª

lei de Mendel ou lei da segregação independente não pode ser aplicada.

Como já vimos anteriormente, apesar de algumas características não

apresentarem as proporções mendelianas do di-hibridismo (interação gênica), os

pares de alelos que compõem essas características segregam-se, na hora de formar

os gametas, de forma independente. Isso acontece porque esses pares de alelos se

encontram em pares de cromossomo homólogos distintos, quando ocorre a

meiose, processo de formação de gametas. Na realidade, os pares de cromossomos

homólogos distintos é que se separam de forma independente levando junto os

alelos que neles estão distribuídos. Porém cada par de cromossomos

homólogos possui uma grande quantidade de genes e esses genes na hora de

formar os gametas vão juntos com os cromossomos homólogos, como se fosse uma

única unidade (fig.4.1).

Figura 4.1: Representação esquemática da meiose. No lado direito, distribuição independente:

dois genes em dois pares de cromossomos homólogos diferentes. No lado esquerdo, ligação:

dois genes em um único par de homólogos; sem ocorrência de troca ou crossing-over. Fonte:

Klug et. al., 2010.

102

1. LIGAÇÃO, RECOMBINAÇÃO E CROSSING-OVER

Sutton e Boveri foram os primeiros, em 1903, a levantar a hipótese de que

cada cromossomo era constituído por mais de um gene ou “fator heredit|rio” e que

esses cromossomos no momento de formar os gametas levavam junto os genes.

Então, se os dois pares de alelos que determinam duas características distintas se

encontrarem em um mesmo par de cromossomos homólogos, esses alelos, na hora

da formação dos gametas, irão juntos no mesmo cromossomo, não segregando

independentemente.

Pares de alelos que determinam características diferentes, mas se

encontram em um mesmo par de cromossomos homólogos são ditos em ligação

ou denominados genes ligados.

Morgan e colaboradores foram os primeiros a demonstrarem que o

cromossomo X em Drosophila possuía vários genes. Em seus estudos, foi o

descobridor do fenômeno de ligação no cromossomo X, investigando numerosas

mutações de Drosophila, localizadas nesse cromossomo. Inicialmente, seus

cruzamentos levavam em consideração uma única característica, mas quando

começou a fazer cruzamentos experimentais, considerando duas características

ligadas ao cromossomo X, percebeu que os resultados obtidos em F2 eram bem

diferentes daqueles obtidos, quando ocorria segregação independente, mas

também não era um resultado esperado para genes que estavam em um mesmo

cromossomo. Se os genes estavam localizados em um mesmo cromossomo,

deveriam ser transmitidos juntos e como consequência só seriam formados dois

tipos de gametas, os semelhantes aos parentais. (Cada par de homólogos tem um

cromossomo de origem materna e um de origem paterna, por isso, gametas que

contêm um desses cromossomos são ditos parentais).

Morgan estudou inicialmente as características: cor do corpo (amarelo e

cinza) e cor dos olhos (brancos e vermelhos), ao cruzar uma fêmea mutante de

olhos vermelhos e corpo amarelo, (XbaXba) com um macho selvagem, olhos

vermelhos e corpo cinza (XBAY), obteve em F1 todo as fêmeas de olhos vermelhos e

corpo cinza (XBAXba) e todos os machos de olhos brancos e corpo cinza (XbaY). Ao

103

realizar o cruzamento das fêmeas F1 (XBAXba) com machos F1 (XbaY) a grande

maioria da prole em F2 mostrava o fenótipo parental, olhos vermelhos e corpo

cinza e olhos brancos e corpo amarelo, mas menos de 1% do total de moscas

nasceram com os olhos brancos e corpo cinza e olhos vermelhos e corpo amarelo

(tendo sido chamados de recombinantes por apresentarem uma mistura dos

fenótipos parentais). Depois desses resultados, Morgan e colaboradores realizaram

outros cruzamentos com genes ligados ao X, observando sempre o mesmo padrão

básico, ou seja, uma proporção fenotípica parental alta e uma proporção de

recombinantes baixa, mas sem um padrão definido com relação às proporções

fenotípicas (fig. 4.2).

104

Figura 4.2: Resultados de F1 e F2 do

cruzamento A que envolve as

mutações amarelo (a) e branco (b)

com o tipo selvagem , dados como

foram compilados por Sturtevant.

No cruzamento A, 0,5% das moscas

de F2 (machos e fêmeas)

demonstram fenótipos

recombinantes. Fonte: Klug et.al.,

2010.

105

As questões levantadas após esses resultados foram: O que leva a formação

dos recombinantes? E por que eles aparecem em cada cruzamento em uma

proporção diferente? Baseados em indícios citogenéticos, do pareamento dos

cromossomos homólogos na prófase I da meiose, observados por Janssens e

outros, e do enrolamento entre esses homólogos e surgimento de

quiasmas(fig.4.3) interseções em forma de X, cujos pontos de sobreposição são

evidentes, Morgan propôs que esses quiasmas poderiam representar os pontos de

trocas genéticas (crossing-over). Logo, os recombinantes que surgem são

resultados dessa troca física “de pedaços” entre crom|tides homólogas.

A segunda pergunta foi explicada por Morgan da seguinte forma: se dois

genes estão muito próximos um do outro, terão menos espaço físico entre eles para

permitir quebra e troca de pedaços (crossing-over), assim a possibilidade do

surgimento de recombinantes será menor, ou até não haverá recombinantes;

entretanto se os genes estão mais distantes terão mais espaço físico entre eles e

uma maior chance de que ocorra quebra e crossing-over ou permuta, originando

uma maior possibilidade de recombinantes. (fig.4.4)

Figura 4.3: Foto onde aparecem vários

quiasmas. Tiradas durante meiose em

testículos de gafanhotos. (John

Cabisco/Visuais Unlimited). Fonte:

Griffiths et. al.,2009

106

Dessa forma Sturtevant, colaborador de Morgan, fez o primeiro mapa

genético, do cromossomo X, tomando como base a taxa de recombinação ou de

crossing-over entre os genes. A distância relativa entre os genes é dada pela taxa de

crossing-over ou permuta entre eles.

Outro exemplo de genes ligados estudados por Morgan foi o que afetava a

cor dos olhos (pr, púrpura, e pr+, vermelho) e o tamanho da asa (vg, vestigial, e

vg+, normal) em Drosophila. Como essas características são autossômicas, não foi

necessária a representação dos cromossomos sexuais. Os alelos selvagens pr+ e

vg+ são dominantes e Morgan realizou cruzamentos para obter di-híbridos e

cruzá-los com um duplo recessivo (cruzamento teste). O cruzamento teste é

importante, pois o genitor testador contribui com gametas levando apenas os

alelos recessivos, os fenótipos da prole revelam diretamente os alelos contribuídos

pelos gametas di-híbridos. Assim, a análise pode se concentrar na meiose em um

genitor (o di-híbrido) e, essencialmente esquecer a meiose no outro (o testador).

Em contraste, em um F1 autofecundado, existem dois conjuntos de meiose a

considerar na análise da prole: um no genitor masculino e um no feminino.

Figura 4.4: Dois exemplos de uma

permutação única entre duas cromátides

não irmãs e dos gametas produzidos

subsequentemente. Em (a) a troca não

altera o arranjo de ligação entre os alelos

dos dois genes; formam-se somente

gametas parentais e a troca não é

detectada. Em (b) a troca separa os

alelos, resultando em gametas

recombinantes, que são detectáveis.

Fonte: Klug et. al., 2010.

107

Os cruzamentos de Morgan estão representados a seguir: (existem várias

notações usadas para representar os genes ligados algumas delas são aqui

apresentadas: pr+ vg+/ pr vg ou pr+ vg+//pr vg.)

Obviamente, esses números desviam-se drasticamente da previsão

mendeliana de uma proporção 1:1:1:1. As duas primeiras combinações de alelos

est~o em grande maioria indicando claramente que est~o associadas ou “ligadas”. E

descendem dos gametas parentais. Os que aparecem em menor quantidade (3ª e

4ª combinações) são resultantes da quebra e troca de pedaços (crossing-over) e

são ditos recombinantes.

P pr vg/ pr vg X pr+ vg+/ pr+ vg+

Gametas pr vg pr+ vg+

Di-híbrido de F1 pr+ vg+/ pr vg

Cruzamento

Teste

pr+ vg+/ pr vg X pr vg/ pr vg

Gametas

pr vg

1ª pr+ vg+ pr+ vg+/ pr vg 1339

2ª pr vg pr vg / pr vg 1195

3ª pr+ vg pr+ vg/ pr vg 151

4ª pr vg+ pr vg+/ pr vg 154

2839

108

2. COMO CALCULAR A TAXA DE CROSSING-OVER OU PERMUTA

Considerando os dados do cruzamento teste acima, feito por Morgan,

podemos calcular a taxa de crossing-over entre os genes pr+ e vg+. O primeiro

passo é identificar quais os fenótipos que resultam de gametas recombinantes no

di-híbrido, no caso, os que aparecem em menor número. Nesse exemplo formaram-

se dois fenótipos recombinantes o que tem 151 descendentes (pr+ vg/ pr vg) e o

que tem 154 (pr vg+/ pr vg) descendentes no total de: 151 + 154 = 305

descendentes recombinantes. O segundo passo é calcular a frequência de

recombinação, que será o número total de recombinantes dividido pelo número

total de descendentes: 305 / 2839 ≈ 0,11. Multiplicando-se essa frequência por

100, teremos a taxa de crossing-over ou permuta igual a 11%.

As frequências de recombinantes para diferentes genes ligados variam de O

a 50%, dependendo de sua proximidade. Quanto mais distantes estão os genes,

mais proximamente suas frequências de recombinantes aproximam-se de 50%,e,

em tais casos, não podemos decidir se os genes estão ligados ou estão em

cromossomos diferentes.

Um único crossing gera dois produtos recombinantes recíprocos, o que

explica por que as classes recombinantes são, em geral, aproximadamente iguais

em frequência. E, por conseguinte, os parentais também devem ter iguais

frequências.

3. OS ARRANJOS “CIS” E “TRANS” DOS GENES LIGADOS

O trabalho de Morgan mostrou que os genes ligados em um di-híbrido

podem estar presentes em duas conformações básicas. Em uma, os dois alelos

dominantes ou selvagens se encontram em um cromossomo; e os dois alelos

recessivos ou mutantes, no outro. Esse arranjo é chamado conformação cis. Na

outra, eles estão em homólogos diferentes. Esse arranjo é chamado conformação

trans. (fig. 4.5)

109

A identificação, se os dois genes ligados estão em posição cis ou trans, pode

ser feita analisando nos descendentes de um cruzamento teste (fig.4.6 a e b).


esquemática de duas células uma em

conformação cis e outra em

conformação trans.

Cruzamento

teste

A B / a b X a b / a b

Gametas masculinos

a b

A B A B/a b 40% Parentais

Gametas a b a b/a b 40%

Femininos A b A b/a b 10% Recombinantes

a B a B/ab 10%

Figura 4.6a: Representação de um cruzamento teste, onde os parentais encontram-se

em conformação cis.

110

3. CONSTRUINDO MAPAS GENÉTICOS POR FREQUÊNCIA DE RECOMBINAÇÃO

3.1. TESTE DE DOIS PONTOS

Como já havíamos falado, quanto maior a distância física entre dois genes,

maior a possibilidade de quebra e troca de pedaços entre os cromossomos e,

consequentemente, maior a possibilidade de gametas recombinantes. Já quando

dois genes estão muito próximos, a taxa de recombinação entre eles é quase zero e

não teremos recombinantes. A distância entre dois genes é diretamente

proporcional à taxa de recombinação ou crossing-over, logo, como a taxa de

crossing entre os genes pr+ e vg+ é igual a ≈ 11%, a dist}ncia entre os genes pr+ e

vg+ é igual a 11 UR( ou unidades de recombinação). Outra unidade usada para

expressar a distância entre dois genes é o centimorgan ou morganídeo e a

unidade de mapa genético u.m.. Cada u.m., UR ou cM ou morganídeo

corresponde a 1% da taxa de recombinação.

Esse método produz um mapa linear correspondente à linearidade

cromossômica?

Cruzamento

teste

A b / a B X a b / a b

Gametas masculinos

a b

A b A b/a b 40% Parentais

Gametas a B a B/a b 40%

Femininos A B A B/a b 10% Recombinantes

a b a b/ab 10%

Figura 4.6b: Representação de um cruzamento teste, onde os parentais encontram-se

em conformação trans.

111

Sturtevant previu que, em um mapa linear, se 5 UR. separam os genes A e ,

B, enquanto 3UR. separam A e C, então a distância que separa B e C deve ser de

8UR. ou 2UR.. Sturtevant viu que sua previsão era correta. Em outras palavras, sua

análise sugeriu fortemente que os genes estão dispostos em alguma ordem linear,

tornando as distâncias aditivas. A representação gráfica de um mapa é mostrada na

figura 4.7:

Logo, para se poder construir o mapa gênico entre os genes A, B e C usando

o teste de dois pontos (determinação da distância usando um cruzamento teste

com um di-híbrido) seria necessário o conhecimento também da distância (= taxa

de recombinação entre os genes) entre os genes B e C. Caso a distância entre os

genes B e C fosse de 8UR a sequência dos genes seria CAB caso a freqüência entre B

e C fosse de 2UR teríamos a sequência de ACB.

Figura 4.7: Uma região

cromossômica contendo três genes

ligados. Como as distâncias de

mapa são aditivas, o cálculo das

distâncias A—B e A-C nos deixa

com duas possibilidades

mostradas para a distância B-C.

Fonte: Griffiths et. al.,2009

112

3.2. TESTE DE TRÊS PONTOS

Quando o mapeamento é feito levando-se em conta as taxas de

recombinação em um cruzamento teste com um tri-híbrido, chamamos esse teste

de três pontos.

Vamos calcular a distância e a sequência de 3 genes usando como exemplo o

experimento feito por Bridges e Olbrycht., que cruzaram machos tipo selvagem de

Drosophila com fêmeas homozigotas para três mutações recessivas - cerdas scute

(sc), olhos echinus (ec) e asas crossveinless (cv). Em F1, nasceram fêmeas

heterozigotas para as três características, (elas herdaram um cromossomo X do

macho com as três características selvagem e um dos cromossomos X da fêmea

com as três características mutantes recessivas) e machos hemizigotos recessivos

(na herança ligada ao cromossomo X o macho só herda um cromossomo X, o da

fêmea, nesse caso, recessiva para as três características). Assim o entrecruzamento

entre machos e fêmeas F1 equivale a um cruzamento teste.

Entrecruzando fêmeas F1 com machos F1 obtiveram em F2 oito tipos de

fenótipos diferentes, todos expressando os gametas produzidos pela fêmea, sendo

dois deles semelhantes aos fenótipos parentais e seis deles recombinantes. Os

parentais como sempre aparecem em uma proporção bem maior. Os

recombinantes em uma proporção bem menor, cada um representando um tipo

diferente de cromossomo com crossing. (fig.4.8)

Para entender quais crossings estavam envolvidos na produção de cada tipo

de recombinante, devemos primeiro determinar como os genes são ordenados no

cromossomo.

113

3.2.1. DETERMINAÇÃO DA ORDEM DE GENES

Existem três possíveis ordens de genes:

1. sc—ec—cv

2. ec—sc—cv

3. ec—cv—sc

Outras possibilidades, tais como cv – ev – sc, são as mesmas que uma dessas, pois

as pontas esquerda e direita do cromossomo não podem ser distinguidas. Então,

como determinar a ordem?

A sequência dos procedimentos é o seguinte:

1º. definimos os recombinantes; que são seis, 4 com maior

freqüência e 2 com menor freqüência;

2º. definimos os que apresentam crossing duplo; no caso, os que

aparecem com menor frequência, já que é necessário que

Figura 4.8: Cruzamento de três

pontos de Bridges e Olbrycht com os

genes ligados ao X sc (cerdas scute),

ec (olhos echinus) e cv (asas

crossveinless) em Drosophila. Fonte:

Snustad, D.Peter; Simmons, Michael

J.,2008.

114

ocorram dois crossing ao mesmo tempo, o que resulta na

probabilidade de ocorrer o 1° e o 2º(P(1º) x P(2º));

3º. observamos nos duplos recombinantes, qual dos três genes

apresenta uma mudança em relação aos parentais; por exemplo:

os parentais são, nesse caso, sc ec cv e o outro sc+ ec+ cv+ , os

duplos recombinantes, sc ec+ cv e o outro sc+ ec cv+, o gene nos

recombinantes que mudou de lugar em relação aos parentais foi

o gene ec+, logo, o gene do meio é o ec+;

4º. a ordem correta do gene é sc ec cv.

3.2.2. Calculando a distância

Tendo estabelecido a ordem dos genes, podemos agora calcular as

distâncias entre os genes adjacentes (fig.4.10).

1st. Escolhemos dois genes adjacentes, sc e ec e identificamos as

classes recombinantes entre eles. (sc ec+ cv+), (sc+ ec cv), (sc ec+

cv) e (sc+ ec cv+).

2º. Somamos os números de descendentes de cada fenótipo

recombinante selecionado e dividimos pelo número total de

descendentes achando assim a frequência de recombinação

entre os dois genes(163+130+1+1=295)/ 3248=0,091).

3º. Achada a frequência, multiplicamos por 100 para achar a

distância entre os dois genes. (0,091x100= 9,1centiMorgan).

4º. O mesmo processo é repetido entre os genes ec e cv e achamos a

frequência de 0,105 que multiplicado por 100 dá uma distância

de 10,5 centiMorgan(cM).

A distância entre os dois genes extremos, sc cv , pode ser calculada

somando-se as distâncias entre cada um dos pares adjacentes: 9,1+10,5=19,6cM.

Dessa forma, o mapa pode ser assim representado (fig. 4.9):

115

Figura 4.10: Cálculo das distâncias de mapa genético dos dados de Bridges e Olbrycht. A distância entre

cada par de genes é obtida estimando-se o número médio de crossings.Fonte: Snustad, D.Peter; Simmons,

Michael J.,2008.

Também podemos obter esta estimativa calculando o número médio de

crossings entre estes genes:

Parentais: (1158+1455)= 2613/3248=0,805

Recombinantes com 1 só crossing:163+130+192+148= 633/3248=0,195 x

(1) = 0,195.

Recombinantes com 2 crossing: 1+1= 2/3248= 0,0006 x (2)= 0,0012.

Logo: parentais +recombinantes com 1 crossing + recombinantes com 2

crossing = 0,196

Figura 4.9: Mapa de Bridges e

Olbrycht de sete genes ligados ao X

em Drosophila. As distâncias são

dadas em centiMorgans. Incluindo a

representação dos três genes

calculados no problema. Fonte:

Snustad, D.Peter; Simmons, Michael

J.,2008.

116

3.2.3. INTERFERÊNCIA E COEFICIENTE DE COINCIDÊNCIA

Um teste de três pontos tem uma vantagem importante em relação a um

teste de dois pontos: ele permite a detecção de crossings duplos, permitindo-nos

determinar se as trocas em regiões adjacentes são independentes umas das outras.

Por exemplo, um crossing na região entre sc e ec ocorre independentemente de

um crossing na região entre ec e cv ? Ou um crossing inibe a ocorrência de outro

próximo?

Para responder a tais perguntas, devemos calcular a frequência esperada de

crossings duplos, com base na ideia de independência. Podemos fazer isso

multiplicando as frequências de crossing de duas regiões cromossômicas

adjacentes. Por exemplo, entre os genes sc e ec no mapa de Bridges e Olbrycht, a

frequência de crossing era (163 + 130 + 1 + 1)/3.248 = 0,091, e, entre ec e cv , ela

era (192 + 148 + 1 + 1)/3.248 = 0,105. Se for suposta independência (aplica-se a

regra do produto das probabilidades), a frequência esperada de crossings duplos

no intervalo entre sc e cv seria portanto de 0,09 1 x 0,105 = 0,0095. Podemos agora

comparar essa frequência com a frequência observada, que foi de 2/3.248 =

0,0006. Crossings duplos entre sc e cv foram muito menos frequentes do que o

esperado. Esse resultado sugere que um crossing inibiu a ocorrência de outro

próximo, um fenômeno chamado interferência. A intensidade da interferência

geralmente é medida pelo coeficiente de coincidência, c, que é a proporção entre a

frequência observada de crossings duplos e a frequência esperada:

c = Frequência observada de crossings duplos/ frequência esperada de

crossings duplos = 0,0006 / 0,0095 = 0,063

O nível de interferência, simbolizado por I, é calculado como

I = 1 - c = 1 – 0,063 = 0,937.

Como nesse exemplo o coeficiente de coincidência é próximo de zero, seu

menor valor possível, a interferência foi muito forte (I é próximo de 1). No outro

extremo, um coeficiente de coincidência igual a um significaria nenhuma

interferência; isto é, significaria que os crossings ocorreram independentemente

uns dos outros.

117

Muitos estudos mostraram que a interferência é forte em distâncias de mapa

menores que 20 cM; assim, crossings duplos raramente ocorrem em curtas regiões

cromossômicas. Entretanto, em regiões grandes, a interferência enfraquece a

ponto de crossings ocorrerem mais ou menos independentemente. A força da

interferência é, portanto, uma função da distância de mapa.

118

GENÉTICA MOLECULAR: ESTRUTURAS DOS ÁCIDOS

NUCLEICOS

119

ESTRUTURA DOS ÁCIDOS NUCLEICOS

INTRODUÇÃO

Vimos que diversos genes estão distribuídos ao longo das moléculas de DNA

que constituem os cromossomos de um organismo. Cada cromossomo é, por sua

vez, formado por uma única molécula de DNA, associada a proteínas. Assim, a

molécula de DNA é a resposta do enigma da vida! Iremos, neste capítulo, estudar a

estrutura dos ácidos nucleicos buscando compreender como moléculas químicas

guardam informações biológicas tão valiosas.

1. ÁCIDOS NUCLEICOS

Em 1869, o pesquisador Johann Friedrich Miescher isolou, pela primeira

vez, do núcleo de células, moléculas grandes que chamou de nucleínas.

Posteriormente, comprovada a natureza ácida das nucleínas ,estas passaram a ser

denominadas ácidos nucleicos.

No início do século XX, foram identificados dois tipos de ácidos nucleicos: o

ácido desoxirribonucleico (DNA) - presente apenas nos núcleos das células - e o

ácido ribonucleico (RNA) – encontrado tanto no núcleo

como no citoplasma. Em 1912, Phoebus Levine e

Walter Jacobs concluíram que o componente básico dos

ácidos nucleicos eram polímeros de nucleotídeos que,

por si só, são moléculas complexas formadas por: um

açúcar; uma base e um ácido fosfórico.

Figura 5.1: Johann Friedrich Miescher (1844-1895).

Fonte: http://www.fml.tuebingen.mpg.de/fml/miescher.htm/

120

1.1. NUCLEOTÍDEO

Os nucleotídeos são unidades básicas formadoras dos ácidos nucleicos. No

DNA, o açúcar do nucleotídeo é uma pentose denominada 2’desoxirribose. A

denominaç~o 2’desoxirribose indica que a estrutura padr~o da ribose foi alterada

através da substituição do grupamento hidroxila (-OH) ligado ao átomo de carbono

2’ por um hidrogênio (-H). Assim, no RNA, o açúcar é uma ribose.

É importante saber que a numeração dos carbonos é utilizada para indicar

quais posições no açúcar, outros componentes do nucleotídeo são ligados. Os

números s~o chamados de “um linha”, “dois linha” e assim por diante, para

distinguir os átomos de carbono no açúcar dos átomos de carbono e nitrogênio na

base nitrogenada.

Figura 5.2: Estrutura da ribose presente no RNA

e desoxiribose presente no DNA.

Fonte:http://medicina.med.up.pt/bcm/trabalhos/2

005/Interac%87%C6o%20DNA%20prot/DNA.htm

121

As bases nitrogenadas são estruturas de anel simples - pirimidina - ou

duplo, - purina - ligadas ao carbono 1’ do açúcar. No DNA, as purinas, adenina (A) e

guanina (G) e as pirimidinas, citosina (C) e timina (T), podem ser ligadas nessa

posição. Quando uma das bases está ligada à ribose, o nucleosídeo resultante

reflete o nome da base.

Os nucleosídeos são formados quando uma base se liga a um açúcar. Este,

por sua vez, é convertido a nucleotídeo através da ligação de um grupamento ácido

fosfórico ao carbono 5’ do açúcar. Até três grupamentos fosfato independentes

podem ser ligados por meio da ligação anidro, rica em energia.

Além de serem os blocos de construção doa ácidos nucleicos, os

nucleotídeos desempenham funções, como: molécula energética (ATP, GTP, etc.),

coenzima (coenzima A, nicotinamina adenina de nucleotídeo (NAD+) e a flavina

Figura 5.3: Estrutura dos quatro nucleotídeos do DNA.

Fonte: Griffiths et al., 2008.

122

mononucleotídeo (FMN) e na transmissão de sinais químicos como segundo

mensageiros.

Figura 5.4: Representação esquemática da função do cAMP (Adenosina Monofosfato

cíclica) como segundo mensageiro. Fonte: Ucko, 1992.

123

1.2. POLINUCLEOTÍDIOS

Para que os nucleotídeos formem um ácido nucleico, ou polinucleotídeo,

forma-se uma ligaç~o diéster fosfato entre o carbono 3’ de um nucleotídeo com o

carbono 5’ de outro. O RNA na célula normalmente consiste de uma cadeia

polinucleotídica única formada por açúcares interligados a grupos fosfato com

diferentes bases emergindo da cadeia.

Uma descoberta importante para a elucidação da organização estrutural do

DNA é o fato de que ela não existe como uma cadeia única, mas como cadeias

duplas complementares, ligadas entre si por ligações de hidrogênio entre bases

complementares. As bases púricas e pirimídicas de cada cadeia polinucleotídica

localizam-se dentro da dupla hélice, em planos paralelos entre si, e

perpendiculares ao eixo da hélice. Devido a sua forma molecular das bases

Figura 5.5: Representação esquemática da função do cAMP (Adenosina

Monofosfato cíclica) como segundo mensageiro. Fonte: Ucko, 1992.

124

nitrogenadas, a adenina pode interagir somente com a timina (ou uracila) e a

guanina interage apenas com a citosina, constituindo assim o pareamento de

bases. Dessa forma, se a sequência de pares de bases de um filamento for

conhecida, automaticamente se conhece a outra.

Figura 5.6: Modelo simplificado da estrutura helicoidal do DNA. (a) Os bastões representam pares de bases, e as fitas representam os arcabouços açúcar-fosfato das duas cadeias de polaridade inversa. (b) Um diagrama químico preciso da dupla hélice de DNA, desenrolado para mostrar os arcabouços açúcar-fosfato (azul) e degraus de pares de bases. Os arcabouços correm em sentidos opostos; as pontas 5’ e 3’ são

denominadas pela orientação dos átomos de carbono 5’ e 3’ dos anéis de açúcar. Cada par de bases tem uma base purina, adenina (A) ou guanina (G), e uma base pirimidínica,

timina (T) ou citosina (C), conectadas por ligações de hidrogênio (linhas tracejadas).


125

As duas fitas da hélice de DNA ocorrem em sentido antiparelelo e se

enrolam em forma de uma hélice dextro-orientada, isto é, se as ligações diéster

fosfato v~o do carbono 5’ de um nucleotídeo ao 3’ do nucleotídeo seguinte (5’ 3’)

na primeira fita, v~o de 3’ a 5’ (3’ 5’) na outra cadeia. Em consequência disso, em

cada extremidade da molécula, uma das cadeias polinucleotídica termina em 3’ e a

outra em 5’.

A distância entre as bases em uma molécula de DNA é de 0,34 nm, e cada

volta completa da hélice contém 10 nucleotídeos. A dupla hélice é estabilizada por

interações hidrofóbicas entre os anéis aromáticos planos das bases, que estão

orientados no centro da hélice. Nessa estrutura, a desoxirribose e o ácido fosfórico

localizam-se na periferia da molécula em contato com a água intracelular. Os

grupos fosfóricos, com carga negativa, permitem a interação do DNA com

proteínas básicas e outras moléculas eletricamente positivas.

Figura 5.7: Diferentes representações da dupla hélice de DNA. O diagrama em fita

(a) destaca o empilhamento de pares de bases, enquanto o modelo compactado

(b) mostra os sulcos maior e menor. Fonte: Griffiths et al., 2008.

126

A hélice pode ser desnaturada pelo calor, alterações no pH ou por agentes

químicos como a ureia e a formamida. A desnaturação pelo rompimento da ligação

de hidrogênio ocorre inicialmente nas ligações A-T, sendo as ligações C-G mais

resistentes, por estarem unidas por três ligações de hidrogênio.

Devido ao tamanho e complexidade da molécula de DNA, esta encontra-se

altamente condensada dentro da célula. No genoma humano, essas cadeias

polinucleotídicas possuem centenas de milhões de nucleotídeos variando de 50

milhões de pares de base, no cromossomo 21, até 250 milhões de pares de base no

cromossomo 1.

Figura 5.8: Complementariedade das bases.

Duas ligações de hidrogênio entre a

Adedina e a Timina e TrÊs Ligações de

hidrogênio entre a Guanina e a Citosina.

Fonte: Harper, 2006.

127

2. O ÁCIDO RIBUNUCLEICO (RNA)

Os ribonucleotídeos contêm as bases adenina, guanina, citosina e a base

pirimidina uracil (U) em vez de timina presente nas moléculas de DNA. A uracila

forma ligações de hidrogênio com a adenina da mesma forma como faz a timina.

Porém, as bases de U são capazes de se ligar às bases de G. As duas ligações de

hidrogênio que podem formar-se entre U e G são mais fracas do que as que se

formam entre U e A. A capacidade de U ligar-se tanto com a A quanto com a G é um

fator importante que permite ao RNA formar estruturas extensas e complexas,

muitas das quais vitais aos processos biológicos.

Figura5.9: Estrutura dos quatro nucleotídeos do RNA. Fonte: Griffiths et al., 2008.

128

Em todos os organismos procariotas e eucariotas, são descritas três

principais classes de moléculas de ácido ribonucleico: o RNA mensageiro (mRNA),

o RNA de transferência ou transportador (tRNA) e o RNA ribossômico (rRNA).

Entre estes as moléculas de mRNAs são as mais heterogêneas em tamanho e

estabilidade. Os mRNAs transmitem a informação genética armazenada na

sequência de nucleotídeos de um gene do DNA cromossomal para a síntese de

proteínas, servindo como um modelo no qual uma sequência específica de

aminoácidos é polimerizado para formar uma molécula de proteína específica, o

produto final do gene.

A ligação do código genético dos genes e o código de aminoácidos das

proteínas estão ligados, molecularmente, através do ácido ribonucleico (RNA). O

DNA dirige a síntese e a sequência do RNA, O RNA dirige a síntese e a sequência

dos polipeptideos e especifica as proteínas que estão envolvidas na síntese e no

metabolismo do DNA e do RNA. Esse fluxo de informação é chamado dogma central

proposto por Francis Crick, em 1958, em sua conferência intitulada “On Protein

Synthesis”, apresentada { Sociedade de Biologia Experimental.

Figura 5.10: Principais moléculas de RNA. O rRNA e o tRNA são os

produtos finais da expressão de seus genes; o mRNA sofre o segundo

estágio da expressão gênica chamado tradução. Fonte: Brown, 1998.

129

O tRNA é uma peça chave envolvida na tradução do mRNA. É produzido por

genes que se concentram em regiões específicas dos cromossomos e variam em

tamanho entre 74 e 95 nucleotídeos. As moléculas de tRNA são adaptadores para a

tradução das informações na sequência dos nucleotídeos do mRNA em

aminoácidos específicos, capturando aminoácidos livres na célula e conduzindo-os

até os ribossomos, onde serão incorporados nas proteínas que estiverem sendo

sintetizadas.

Figura 5.11: Estrutura em fita simples da molécula de RNA. Fonte: Harper, 2006.

130

A síntese e o processamento da molécula de tRNA podem ser descritos em

quatro etapas:

1. Inicialmente, o tRNA é transcrito pela RNA polimerase III. O produto de

transcrição, o pré-tRNA, contém sequências de RNA complementar, nas

extremidades 5 'e 3'. Essas sequências adicionais são removidas do transcrito

durante o processamento. Os nucleotídeos adicionais à extremidade 5' são

removidos por um RNA incomum, contendo enzima ribonuclease P (RNase P).

Figura 5.12: Síntese e processamento do tRNA. Fonte: http://www.ewa.cz/pages1/813.htm

131

2. Alguns precursores tRNA contêm um íntron localizado na região do anticódon.

Esses Íntrons são separados durante o processamento do tRNA.

3. Todos os tRNAs maduros contêm o CCA trinucleotide em suas extremidades 3'.

Essas três bases não são codificadas pelo gene tRNA. Em vez disso, esses

nucleotídeos são adicionados durante o processamento do pré-transcrição tRNA. O

fim da enzima responsável pela adição da CCA-tRNA é transferase nucleotidil.

4. tRNAs maduros podem conter até 10% de outras bases do que o habitual

adenina (A), guanina (G), citidina (C) e uracila (U). Essas modificações da base são

introduzidos no tRNA, na fase de processamento final. A função biológica da

maioria das bases é desconhecida, o processo de tradução parece normal em

mutantes e faltam às enzimas responsáveis pela modificação das bases.

Já um ribossomo é uma estrutura nucleoproteica citoplasmática que atua

como a maquinaria para a síntese de proteínas a partir dos moldes de mRNA. Os

genes para rRNA ficam concentrados nas regiões dos cromossomos nas quais se

formam os nucléolos. Nos ribossomos, as moléculas de mRNA e tRNA interagem

para traduzir uma informação específica da proteína - molécula transcrita a partir

de um gene. Durante a síntese proteica, muitos ribossomos são associados com

uma molécula de mRNA em um conjunto chamado de polissomos.

2. IMPORTÂNCIA MÉDICA DOS NUCLEOTÍDEOS

Análogos sintéticos das purinas, pirimidinas, nucleosídeos, nucleotídeos

possuem inúmeras aplicações na medicina clínica. Seus efeitos tóxicos refletem

tanto a inibição de enzimas essenciais para a síntese de ácidos nucleicos ou sua

incorporação em ácidos nucléicos com consequente rompimento da base de

emparelhamento. Oncologistas empregam 5-fluoro-ou 5-iodouracil, 3-

deoxiuridina, 6-tioguanina e 6-mercaptopurina, 5 - ou 6-azauridine, 5 - ou 6-

azacytidine, e 8-azaguanina, que são incorporada no DNA antes da divisão celular,

no tratamento de vários tipos de câncer. O alopurinol, um análogo das purinas, é

132

usado no tratamento da hiperuricemia e gota, devido a sua ação inibitória na

biossíntese de purinas e sobre a atividade da xantina oxidase. Por outro lado, a

azatioprina, metabolizada a 6-mercaptopurina, é empregada durante o transplante

de órgãos, para suprimir a rejeição imunológica.

133

GENÉTICA MOLECULAR:

DUPLICAÇÃO DO DNA

134

DUPLICAÇÃO DO DNA

INTRODUÇÃO

A estrutura da molécula de DNA permite a transferência da informação

genética de uma célula para as células filhas e de uma geração para a seguinte. O

DNA das diversas espécies difere principalmente na sequência das bases

nitrogenadas. Uma sequência pequena contendo doze nucleotídeos de

comprimento pode gerar 412 = 16777216 sequências diferentes. Assim, o

mecanismo de duplicação ou replicação do DNA, que iremos observar neste

capítulo, é extremamente eficiente, o que garante a integridade do material

genético.

1. DUPLICAÇÃO

O mecanismo pelo qual uma molécula de ácido desoxirribonucleico (DNA)

faz uma cópia de si mesmo é denominado duplicação. O arranjo estrutural da

molécula de DNA permite a sua duplicação pela separação dos dois filamentos

moldes “original”, seguidos pela síntese de novos filamentos complementares

“cópias”. Estes filamentos consistem em uma fita da hélice original e uma fita nova,

complementar à primeira – no processo denominado duplicação semiconservativa.

A duplicação do DNA é assincrônica em todos os cromossomos, ou mesmo

dentro de um único cromossomo. A síntese do DNA ocorre ao longo de cada

cromossomo iniciando em centenas a milhares de regiões, denominadas origens de

replicação, em tempos diferentes da fase S do ciclo celular. A replicação é

extremamente complexa e envolve 20 ou mais enzimas além de outros fatores que

constituem o sistema DNA replicase.

135

Figura 6.1: Modelo semiconservativo da replicação do DNA proposto por Watson e Crick. Os

filamentos parentais, mostrados em azul, servem como moldes para a polimerização. Os

filamentos recém-polimerizados, mostrados em amarelo, têm sequências de bases que são

complementares a seus respectivos moldes. Fonte: Griffiths et al., 2008.

136

O primeiro passo para a replicação do DNA começa com o reconhecimento

de um ponto de iniciação e desdobramento da dupla hélice realizado pelas enzimas

denominadas topoisomerases. Como os dois, filamentos originais estão

firmemente ligados por ligação de hidrogênio, faz-se necessária a ação das

proteínas SSP (single strand proteins), que mantêm os filamentos separados

enquanto se processa a replicação. A DNA-polimerase polimeriza os nucleotídeos

sequencialmente para formar uma nova fita de DNA. Porém, essa enzima não

consegue iniciar a síntese das novas fitas de DNA sem o auxílio de um iniciador

(primer) de RNA, porque ela só é capaz de adicionar nucleotídeos a um

polinucleotídeo preexistente no sentido 5’ 3’, o que significa que os filamentos

molde precisam ser lidos no sentido 5’ 3’.

Figura 6.2: Representação do primer de RNA sintetizado a partir do molde de DNA.

Fonte: Harpe, 2006.

137

Os primers da fita descontínua (leagging) são sintetizados pela ação de uma

RNA-polimerase especial, a primase, enquanto os primers do DNA contínuo

(leading) são produzidos pela RNA polimerase que normalmente sintetiza RNA na

transcrição. Ambas as enzimas utilizam como molde os filamentos de DNA

separados nas origens de replicação. Nos dois casos, a DNA polimerase forma um

filamento de DNA que contém um pequeno seguimento de RNA, removidos

posteriormente das moléculas de DNA recém sintetizadas.

A teoria de que o DNA descontínuo 3’ 5’ era sintetizado em pedaços foi

constatada pela bióloga molecular Tuneko Okazaki em estudos realizado em

colaboração com Reiji Okazaki, em 1968.

Identificaram trechos curtos de DNA entre

100 e 1000 nucleotídeos de comprimentos

associados à sua replicação – os fragmentos

de Okazaki. No filamento descontínuo, a DNA

polimerase sintetiza o DNA até certa distância

antes de encontrar o primer na ponta 5’ do

fragmento de Okazaki seguinte. A ligação dos

fragmentos ocorre pela ligação fosfodiéster

catalisada pela enzima DNA ligase.

Apesar de sua complexidade, a replicação do DNA é altamente precisa.

Estima-se que ocorre apenas um erro na replicação de 109 pares de bases. Essa

precisão é devido à especificidade da DNA polimerase que é capaz de conferir às

bases a medida que as adiciona ao filamento de DNA. Essa enzima confere as bases

adicionadas e remove imediatamente uma base errada, antes que a síntese do

filamento continue.

Além da DNA polimerase, o processo de replicação envolve a participação

de várias enzimas e cofatores:

Figura 6.3: TuKeno Okazaki.

Fonte:http://mujeresdeciencias.blogia.com/2007/082801-tuneko-okazaki-1933-.php

138

DNA helicase: são enzimas que se ligam à fita simples de DNA, próximo à zona de

replicação e se movem na direção da fita dupla, forçando as fitas se separarem e

provocando um desenrolamento. Assim que as fitas se abrem, as proteínas

desestabilizadoras se ligam à fita simples;

Proteína de ligação do DNA de fita simples - single strand binding protein: Essas

proteínas, denominadas de proteínas desestabilizadoras da hélice, ligam-se à fita

simples de DNA, mantendo-as separadas;

DNA topoisomerase: um problema de superdobramento ocorre à medida que as

fitas se separam. As enzimas DNA topoisomerase são responsáveis pelo

mecanismo para remover o superdobramento;

Primase: é a enzima responsável por sintetizar primer. As DNA polimerases não

conseguem iniciar a síntese de uma fita complementar de DNA através de um

molde completamente composto de fita simples. Elas necessitam de

oligonucleotídeo iniciador, denominado primer, que é na realidade uma região

curta de aproximadamente 10 nucleotídeos de comprimento, com um grupo

hidroxila livre no carbono-3’, que serve como primeiro aceptor de um nucleotídeo;

DNA ligase: a enzima responsável por realizar a junção entre os fragmentos de

DNA (fragmentos de Okazaki) sintetizados na fita atrasada; entre outras proteínas.

139

Figura 6.4: Representação molecular de forquilha de replicação. A topoisomerase e a helicase desenrolam e abrem a dupla hélice na preparação para a replicação do DNA. Quando a dupla

hélice está desenrolada, as proteínas de ligação a um só filamento impedem que a dupla hélice se reconstitua. A ilustração é uma representação do chamado modelo trombone (denominada

por sua semelhança a um trombone devido à alça do filamento de replicação descontínua) mostrando como os dois cernes catalíticos do replissomo são vistos interagindo para

coordenar os vários eventos da replicação dos filamentos leading e lagging.


140


TRANSCRIÇÃO

141

TRANSCRIÇÃO

INTRODUÇÃO

O que difere os polinucleotídeos das diferentes espécies é a ordem em que

as bases estão arranjadas em cada fita de DNA. A descoberta de que os genes

formam um código genético foi um dos mais importantes acontecimentos

científicos da época. Em 1958, Francis Crick postulou que a informação biológica

contida no DNA de um gene é primeiramente transferida ao RNA e depois à

proteína. Sendo o fluxo de informação unidirecional, as proteínas não podem por si

só orientar a síntese de RNA, e o RNA não pode orientar a síntese de DNA, com

exceção de alguns vírus de RNA. Iremos neste capítulo compreender como as

informações armazenadas na molécula de DNA são transcritas na célula.

1. GENE

Um gene é um seguimento de uma molécula de DNA que contém o local de

início e fim da síntese de uma molécula de RNA. Sequências de pares de bases

nitrogenadas que indicam o início dos genes são denominadas regiões

promotoras; as que indicam o fim dos genes, sequências de término de

transcrição. A maioria dos genes é interrompida por uma ou mais regiões não

codificantes. Essas sequências intercalares, denominadas íntrons, são inicialmente

transcritas em RNA no núcleo, mas não estão presentes no RNA mensageiro

(RNAm) no citoplasma. Assim, apenas as sequências codificantes, os éxons,

carregam a informação da sequência de aminoácidos de uma proteína.

142

Os íntrons estão presentes não apenas em genes que codificam proteínas,

mas também em alguns genes de rRNA e até mesmo genes tRNA, sendo removidos

durante o processo de transcrição do mRNA. A remoção de íntrons e união dos

éxons é denominada splicing. O número e o tamanho dos íntrons variam de gene

para gene e de espécie para espécie. Por exemplo, o tamanho médio de um intron

em mamíferos é de cerca de 2000 nucleótidos, enquanto que em média o tamanho

do exon é de cerca de 200 nucleotídeos. Assim, a maior porcentagem do DNA em

mamíferos codifica introns; exons, não. Um exemplo clássico em seres humanos é o

do gene da distrofia muscular de Duchenne que possui 79 exons e 78 introns,

distribuídos por 2,5 milhões de pares de bases. Entretando, quando unidos os

éxons, o mRNA resultante apresenta 14.000 nucleotídeos entre 2,5 milhões de

pares de base não codificantes.

1.1. snRNA

Após a descoberta de éxons e íntrons, os cientistas voltaram sua atenção

para o mecanismo de splicing do RNA. O processamento splicing é uma operação

complexa realizada pelos spliceossomos, que são conjuntos de proteínas e

moléculas de snRNA (pequenos RNAs nucleares). Essa maquinaria enzimática

reconhece sinais no RNA nascente que especificam os locais de corte. Os íntrons

Figura 7.1: Representação esquemática do DNA de organismos superiores. As regiões que codificam proteínas (éxons) estão separadas por (íntrons) por regiões que não estão

presentes no mRNA final. Fonte Ucko, 1992.

143

quase sempre começam com GU e terminam com AG, que é precedido por um

trecho rico em pirimidinas.

1.2. iRNA

A descoberta do mecanismo conhecido como RNA de interferência, que

permite “silenciar” genes com precis~o, rendeu aos biólogos norte-americanos

Andrew Fire e Craig Mello o Prêmio Nobel de Medicina de 2006. O iRNA funciona

como mecanismo de defesa contra vírus que têm código genético em forma de

fitas duplas de RNA. Além de atuar no controle da expressão genética, trata-se de

uma importante ferramenta de pesquisa que poderá dar origem a novos

tratamentos para condições ligadas a características genéticas.

2. A TRANSCRIÇÃO

A transcrição de genes codificantes pela RNA polimerase é iniciada

anteriormente ao gene, na região promotora – pequena sequência de

nucleotídeos reconhecida pela polimerase II (como por exemplo, o TATA boxe – 5’-

TATAAAT-3’) – situada geralmente cerca de 25 nucleotídeos antes da sequência a

ser transcrita. Existem vários tipos diferentes de promotor encontrados no

genoma humano, com diferentes propriedades regulatórias que especificam o

padrão de desenvolvimento, bem como os níveis de expressão de um determinado

gene em tecidos diferentes.

A síntese do transcrito prim|rio de mRNA ocorre no sentido 5’ 3’,

enquanto o filamento do gene transcrito é lido no sentido 3’ 5’ com relaç~o {

estrutura desoxirribose fosfodiéster. Durante o processo de alongamento da

transcrição, a RNA polimerase percorre a molécula de DNA desenrolando a dupla

hélice, enquanto liga sequencialmente ribonucleotídeos { extremidade 3’ da

molécula crescente de RNA.

144

Como o RNA sintetizado corresponde tanto em polaridade quanto em

sequência de bases (substituindo Timina por Uracila) ao filamento 5’ 3’, essa fita

de DNA não transcrita é denominada codificante ou com sentido. Já o filamento

3’ 5’ transcrito é denominado n~o-codificante ou sem sentido. A transcrição

continua incluindo íntrons e éxons do gene, além da posição no cromossomo que

eventualmente corresponde { ponta 3’ do mRNA.

O transcrito primário de RNA é processado pela adição de uma estrutura

química “cap” na ponta 5’ do RNA e uma clivagem na ponta 3’ em um ponto

específico, ao final da informação codificante. Essa clivagem é seguida pela adição

de uma cauda poliA na ponta 3’ do RNA. O cap - 7-metilguanosina que está ligado

ao ribonucleosídeo através de uma ponte contendo 3 fosfatos. Está envolvido no

reconhecimento do mRNA pela maquinária de tradução, além de estabilizar o

mRNA, impedindo o ataque de 5'-exonucleases.

Figura 7.2: A sequência de mRNA é complementar ao filamento-molde de DNA do qual ele é transcrito e, portanto, corresponde à sequência não molde (exceto em que o RNA

tem U onde o DNA tem T). Essa sequência é do gene para a enzima 3-galactosidase. Fonte: Griffiths et al., 2008.

145

A cauda poliA parece aumentar a estabilidade do RNA poliadenilato

resultante. O ponto de poliadenilação é especificado em parte pela sequência

AAUAAA, ou por uma sequência semelhante a esta, em geral encontrada na parte 3’

não traduzida do RNA transcrito. Essas modificações pós transcricionais ocorrem

no núcleo, assim como o processamento do RNA. O mRNA é transportado então

para o citoplasma, onde ocorre a tradução.

Figura7.3: Representação esquemática da estrutura cap (metilguanosina) e das proteínas nucleares (CBP80 e CBP20) envolvidas no complexo de ligação cap durante

a transcrição do mRNA.

Fonte: http://www.ewa.cz/pages1/813_soubory/end.gif

146

Figura 7.4: Representação esquemática do complexo de poliadenilação. Fonte: http://www.ewa.cz/pages1/813_soubory/end.gif

147


TRADUÇÃO

148

TRADUÇÃO

INTRODUÇÃO

A informação genética é armazenada no DNA por meio de um código, no

qual a sequência de bases adjacentes determina a sequência de aminoácidos no

polipeptídeo codificado. A síntese de proteínas ocorre nos ribossomos, complexos

macromoleculares constituídos por RNA ribossômico (18S e 28S) associados a

proteínas ribossomiais. Mas para que a informação contida nos nucleotídeos seja

traduzida em uma proteína específica, a célula necessita decifrar o código genético

presente no mRNA. Assim, neste capítulo iremos compreender o mecanismo de

tradução e como ocorrem as mudanças pós-traducionais.

1. O CÓDIGO GENÉTICO

A chave para a tradução é um código que relaciona aminoácidos específicos

à combinação de três bases adjacentes ao longo do mRNA. Por sua vez, o código

genético consiste em um conjunto de três nucleotídeos (trinca) que indicam um

aminoácido X. Um código de três letras de quatro diferentes bases (Adenina;

Timina; Citosina; e Guanina) pode reproduzir 64 aminoácidos. Como existem 20

aminoácidos presentes nas proteínas dos seres humanos e 64 possíveis códons, a

maioria dos aminoácidos é especificada por mais de um códon. Por isso o código

genético é dito como degenerado. Por exemplo, a base na terceira posição da trinca

pode ser uma purina (A ou G), ou uma pirimidina (T ou C) ou, em alguns casos,

qualquer uma das quatro bases sem alterar a mensagem codificada.

149

Os códons, UGA, UAA ou UAG, são denominados finalizadores ou sem

sentido porque marcam o término da tradução da molécula de mRNA. Por outro

lado, a tradução é sempre iniciada em um códon AUG que especifica o aminoácido

metionina. Porém, normalmente esse aminoácido (amino-terminal, pois é o

primeiro a ser adicionado à cadeia polipeptídica) é removido antes que a síntese

da proteína seja completada. Apenas os aminoácidos metionina e triptofano são

especificados apenas por um único códon.

Figura 8.1: O código genético designa os aminoácidos especificados por cada códon. Fonte: Ucko, 1992.

150

2. A FUNÇÃO DO tRNA

Há pelo menos 20 tipos de moléculas de tRNA em cada célula,

correspondentes a cada um dos 20 aminoácidos necessários para a síntese de

proteínas. Embora os tRNA apresentem sequências nucleotídicas especificas, essas

moléculas possuem muitas características em comum. A estrutura primária, isto é,

a sequência de nucleotídeos de todas as moléculas de tRNA gera uma estrutura

secundária em duas dimensões como um trevo.

Figura 8.2: Representação esquemática da síntese do tRNA. Fonte: Brown, 1998.

151

Como o código do mRNA é escrito em grupos de três nucleotídeos, a

tradução se efetua graças ao tRNA capaz de "ler" o código do mRNA. As moléculas

de tRNAs possuem um grupo de três nucleotídeos chamado "anticódon",

constituída por sete nucleotídeos. Eles são complementares a um códon do mRNA

correspondente a um aminoácido transportado pelo tRNA. Como a degeneração do

código genético reside principalmente no último nucleotídeo do código em trincas,

sugere-se que o pareamento entre este último e o nucleotídeo correspondente do

anticódon não é estritamente uma regra.

Como não há afinidade de ácidos nucleicos presentes nas moléculas do

tRNA para os grupos funcionais específicos de aminoácidos, o reconhecimento

dessa molécula ocorre por meio de uma proteína capaz de distinguir tanto o tRNA

quanto o aminoácido específico. O processo de reconhecimento e ligação de cada

um dos 20 aminoácidos é realizado por um grupo de enzimas denominado

aminoacil-tRNA sintetase. Durante o processo de reconhecimento, é formado um

intermediário ativado de aminoacil-AMP que, em seguida, reconhece um tRNA

Figura 8.3: Representação esquemática das moléculas individuais de tRNA específicas para aminoácidos

diferentes. Fonte: Brown, 1998.

152

específico. Esse processo é extremamente preciso, sendo a taxa de erro inferior a

10-4. O aminoácido permanece ligado ao seu tRNA específico em uma ligação éster

até que é polimerizado em uma posição específica - 3’ - na síntese de um

polipeptídeo.

2. OS RIBOSSOMAS

Os ribossomas foram originalmente caracterizados por sua taxa de

sedimentação e, por essa razão, seus nomes são derivados de seus coeficientes de

sedimentaç~o em Svedberg (S) “unidade”, o que é uma indicação do tamanho

molecular dessas estruturas macromoleculares. Em procariontes as subunidades

pequena e grande são designadas 30S e 50S, respectivamente, que quando

associadas formam uma partícula 70S. Ao contrário, em eucariontes as

subunidades pequena e grande são denominadas 40S e 60S, formando o ribossomo

Figura 8.4: Representação da reação envolvida na aminoacilação de um tRNA. Fonte: Brown,1998.

153

80S. Embora os ribossomas eucarióticos sejam maiores e mais numerosos, os

componentes e as etapas de síntese proteica são universalmente semelhantes.

Os ribossomas são o local onde o mRNA e aminoacil-tRNA se reúnem

durante a tradução da mensagem genética em todos os tipos de células. Além de

fornecer o suporte estrutural para o processo de decodificação, o ribossomo se

contém no centro catalítico responsável pela formação da ligação peptídica, o

chamado centro peptidil transferase. Os ribossomas foram descobertos no início

dos anos 1940, mas seu papel na síntese de proteínas logo se tornou aparente,

mais de uma década depois. O nome "ribossomo" foi dado a essas moléculas em

1958.

Figura 8.5: Um ribossomo contém uma subunidade grande e outra pequena. Cada subunidade contém rRNA de tamanhos variados e um conjunto de proteínas. Existem

duas principais moléculas de rRNA em todos os ribossomos. (a) Ribossoma procarioto; (b) Ribossoma eucarioto.


(a) (b)

154

4. TRADUÇÃO

Uma vez no citoplasma da célula, o mRNA produzido a partir do DNA é

reconhecido pelo ribossoma que se liga a sua extremidade 5’. A subunidade

pequena do ribossomo (40S nos eucariontes) então se move ao longo do mRNA até

alcançar um códon iniciador e começar a tradução. O códon iniciador é a primeira

trinca AUG que a subunidade pequena encontra, à medida que "escaneia" a

molécula de mRNA.

Figura 8.6: Representação esquemática do início da tradução em eucariontes. O complexo de iniciação forma-se na ponta 5’ do mRNA e o percorre no sentido de 3’ à procura de um códon de início. O reconhecimento do código de início dispara a montagem do ribossomo completo e a dissociação dos fatores de iniciação (não mostrados). A hidrólise de ATP fornece energia para ativar o processo de varredura.


155

Formado o complexo de iniciação, a subunidade grande do ribossoma pode

se fixar. Para tanto, uma molécula de ATP é hidrolisada, liberando a energia

necessária para a síntese do polipeptídeo. Dessa união, resultam dois sítios de

ligação: as moléculas de tRNA – um sítio peptidil “amino terminal” ocupado no

momento pelo tRNAmet – códon de iniciação; e o sítio aminoacil “aminoterminal” –

posicionado sobre o segundo códon.

Figura 8.7: Representação esquemática da etapa de alongamento. Um complexo ternário consiste em um aminoacil-tRNA ligado a um fator EF-Tu que se liga ao sítio A. Após seu

aminoácido juntar-se à cadeia polipeptídica em crescimento, um fator EF-G liga-se ao sítio A enquanto empurra os tRNA e seus códons de mRNA para os sítios E e P.


156

Ambos os sítios do ribossoma estão ocupados tRNAs aminoacilados, e os

dois aminoácidos estão em contato direto. A etapa posterior é a formação de uma

ligação peptídica entre o grupamento carboxila da metionina e o grupamento

amino do segundo aminoácido. Essa reação é catalisada pela peptidiltransferase. O

ribossomo então desliza ao longo do mRNA através de três nucleotídeos, de modo

que o tRNA ligado a um aminoácido entre no sítio peptidil, liberando o tRNAmet,

permitindo que o sítio Aminoacil fique livre.

O terceiro tRNA aminoacilado entra no sítio aminoacil, e o ciclo de

alongamento da cadeia polipeptídica é então repetido. Durante a síntese proteica,

mais de 80 ribossomas movem-se pela molécula de mRNA ao mesmo tempo,

estando cada um em um estágio diferente, formando um complexo denominado

polissoma.

Figura 8.8: Representação esquemática do processamento seqüencial da molécula de mRNA durante a tradução.

Fonte: http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Citologia2/AcNucleico9.php

157

A finalização da tradução ocorre quando um códon finalizador (UAA, UAG

ou UGA) entra no sítio aminoacil. Em seguida, fatores de liberação clivam o

polipeptídeo completo, em um processo que envolve o gasto de energia na forma

de GTP, e as subunidades 40 S e 60 S se disossiam.

Figura 8.9: Representação esquemática do termina da tradução. A tradução é terminada quando os fatores de liberação reconhecem os códons de fim no sítio Aminoacil (A) do ribossomo.


158

5. MUDANÇAS PÓS TRADUCIONAIS

A maioria das proteínas passa por modificações pós transducionais. A

estrutura tridimensional específica de cada proteína é determinada pela própria

sequência de aminoácidos. Duas ou mais cadeias polipeptídicas, codificadas pelo

mesmo gene ou por genes distintos, podem se combinar para formar um único

complexo proteico final.

Figura8.10: Formação da estrutura quaternária da hemoglobina. A molécula de hemoglobina é um tetrâmero formado por duas cadeias de alfa-globina e

duas cadeias de beta-globina ligadas por interações não covalente.

Fonte: http://www.biocristalografia.df.ibilce.unesp.br/xtal/texto_hb.php

159

Os produtos proteicos também podem ser modificados quimicamente. Mais

de 300 modificações podem ocorrer nos aminácidos das cadeias polipeptídicas,

após a sua tradução. Duas das alterações mais comuns são a fosforilação e

ubiquitinação.

5.1. FOSFORILAÇÃO

Um grupo de enzimas denominadas quinases é capaz de ligar grupos fosfato

aos grupos hidroxila dos aminoácidos serina, treonina e tirosina, enquanto que as

enzimas chamadas fosfatases removem esses grupos fosfato das proteínas. Como a

adição e remoção de grupos fosfato atuam como um interruptor reversível no

controle de uma variedade de eventos celulares, incluindo a ativação e/ou

inativação de enzimas específicas.

Figura 8.11: Fosforilação e desfosforilação de proteínas. As proteínas podem ser ativadas pela ligação enzimática de grupos

fosfato aos grupos laterais de seus aminoácidos e inativar a remoção desses grupos fosfato. Fonte: Griffiths et al., 2008.

160

5.2. UBIQUITINAÇÃO

O mecanismo de ubiquitinação envolve a adição de uma proteína

denominada ubiquitina ao resíduo de lisina de uma proteína alvo, que será

posteriormente degradada em um complexo denominado proteasomo. A

ubiquitina é uma proteína que contém 76 aminoácidos, presente nos organismos

eucariontes, estando altamente conservada em plantas e animais. As principais

classes de proteínas que são metabolizadas por ubiquitinação apresentam uma

meia vida curta, como as que participam do ciclo celular, ou são proteínas

danificadas ou transformadas.

Figura 8.12: Ubiquitinação. FIG. 9.23 São mostradas as principais etapas na degradação de proteínas mediada pela ubiquitina. A ubiquitina

primeiro é conjugada a outra proteína e, então, degradada pelo proteassomo. A ubiquitina e os oligopeptídeos são então reciclados.


161

6. DESTINO DAS PROTEÍNAS

Em eucariotos, as proteínas são sintetizadas nos ribossomos localizados no

citoplasma. No entanto, algumas dessas proteínas acabam no núcleo, em organelas

como as mitocôndrias, e outras ainda ancoradas à membrana interna ou externa,

ou secretadas em vesículas. O direcionamento das proteínas ocorre por meio uma

sequência curta “peptídeo líder” na sua extremidade amino-terminal. Por exemplo,

proteínas de membrana apresentam, geralmente, um peptídeo lider de 15 a 25

aminoácidos, que as direciona para os canais na membrana do retículo

endoplasmático onde a sequência final é clivada por uma peptidase. A partir do

retículo endoplasmático, a proteína é direcionada para seu destino final.

Figura 8.13: Representação da incorporação de sequências de sinal que marcam as proteínas que serão secretadas pela célula.


162


MUTAÇÃO E MECANISMO DE REPARO

163

MUTAÇÃO E MECANISMO DE REPARO

INTRODUÇÃO

A molécula de DNA serve como um modelo para a transcrição das

informações em RNA e para a replicação da informação em moléculas de DNA filha.

Mesmo sendo altamente específico, o processo de replicação gera erros que, em

sua maioria, são corrigidos pela DNA polimerase, porém alguns erros não são

detectados. Além disso, o DNA pode ser danificado ou alterado de uma maneira

que afeta sua sequência de bases.

1. MUTAÇÃO

Uma mutação é uma alteração na sequência de nucleotídeos de uma

molécula de DNA, que pode ocorrer dentro de um gene ou em regiões intergênicas.

Se uma mutação ocorre em uma região intergênica, ela provavelmente será

silenciosa e não terá efeito na célula. Entretanto, se uma mutação ocorre em um

gene, ela pode alterar o produto gênico e gerar uma alteração observável no

organismo: isso é chamado de uma mudança no fenótipo. O fenótipo de um

organismo é um conjunto de características observáveis, em contrapartida, o

genótipo é sua constituição gênica. Um organismo que apresenta o fenótipo usual

para a espécie é chamado tipo selvagem; um organismo cujo fenótipo foi alterado

por mutação é chamado mutante.

164

1.1. TIPOS DE MUTAÇÕES

1.1.1. MUTAÇÃO NA SEQUÊNCIA DE NUCLEOTÍDEOS DO DNA

1.1.1.1. MUTAÇÃO PONTUAL

Trata-se da substituição de um nucleotídeo por outro. Ela pode causar a

substituição de um aminoácido por outro na sequência polipeptídica. Pode ainda

ser classificada como mutação pontual de transição, se a substituição for de uma

Figura 9.1: Representação do gene. Fonte: Brown, 1998.

165

purina e/ou pirimidina por outra (Adenina Guanina; Guanina Adenina;

Timina Citosina; Citosina Timina), ou mutação pontual de transversão, se a

alteração for de uma purina para uma pirimidina ou vice-versa.

1.1.1.2. MUTAÇÃO POR INSERÇÃO OU DELEÇÃO

Mutações graves envolvem a inserção ou deleção de um par de

nucleotídeos ou mesmo de grandes trechos de DNA. Estas são conhecidas como

mutação por "deslocamento", uma vez que elas fazem que o DNA seja lido

incorretamente. Esse tipo de mutação é geralmente letal porque resulta na síntese

de proteína completamente diferente.

1.1.1.3. MUTAÇÃO POR INVERSÃO

Esse tipo de mutação ocorre pela excisão de uma parte da dupla hélice

seguida de sua reinserção na mesma posição, mas em orientação inversa.

1.2. MUTAÇÃO EM UM GENE

Seja pontual, de inserção, deleção ou inversão, uma mutação será

silenciosa, se ocorrer em uma região intergência. Mas, quando ocorre em uma

sequência codificante do DNA, pode gerar diferentes consequências:

1.2.1. MUTAÇÃO SILENCIOSA

Ocorrerá quando a mutação pontual se der no nucleotídeo da terceira

posição de um códon que, devido à redundância do código genético, dificilmente

irá alterar o aminoácido codificado no local da mutação.

166

1.2.2. MUTAÇÃO DE SENTIDO TROCADO

Trata-se também de uma mutação pontual, porém com a alteração do

aminoácido codificado, por ocorrer principalmente no primeiro ou segundo

nucleotídeo de um códon. Se a mutação afetar um aminoácido essencial para a

estrutura ou função da proteína, esta será inativada, levando a um fenótipo

mutante.

1.2.3. MUTAÇÃO SEM SENTIDO

Essa é uma mutação de ponto que altera o códon original para um códon

finalizador, resultando em um gene que codifica um polipeptídeo incompleto. Na

maioria dos casos, a mutação altera a atividade da proteína, resultando em um

fenótipo mutante.

1.2.4. MUDANÇA NA MATRIZ DE LEITURA

Ocorre pela inserção ou deleção de bases que levam à leitura incorreta dos

códons adiante da mutação, produzindo, geralmente, um fenótipo mutante.

1.3. AGENTES MUTAGÊNICOS

Danos causados ao DNA por agentes físicos e químicos podem ser

classificados em quatro tipos: I. Alteração de uma única base (por exemplo: pela

desaminação da adenina em hipoxantina ou desaminação da citosina em uracil); II.

Alteração de duas bases (por exemplo: luz UV que pode causar a dimerização de

pirimidinas adjacentes); III. Ruptura dos filamentos de DNA (por exemplo: na

oxidação por radicais livres); IV. Ligação cruzada (por exemplo: entre moléculas

de DNA e proteínas, como as histonas).

Mutações podem também resultar de meios artificiais, como as causadas

por radiações ionizantes, como raios X ou gama. Quanto maior a dosagem, maior a

167

probabilidade de ocorrer uma mutação genética. Os raios cósmicos e outras

radiações podem causar lesões diretas no DNA, como modificação das bases, ou

ruptura dos filamentos e, indiretamente, induzindo a produção de íons

superóxidos.

O DNA sofre a ação de agentes químicos produzidos pela própria célula.

Calcula-se que os íons H+ e a alteração térmica sejam responsáveis pela perda de

aproximadamente 10000 bases púricas por dia, em cada célula do organismo

humano. Entretanto, para proteger seu DNA entre outras moléculas, as células

desenvolveram vários sistemas de proteção. Os íons superóxidos, por exemplo,

são inativados pela ação da superóxido dismutase. Os íons H+ são neutralizados

pelos reguladores ácido-base, enquanto que as oxidações intracelulares são

reduzidas pela ação do NADPH2, glutation e pela vitamina E. A presença do

pigmento melanina nas células da epiderme constitui em um mecanismo de

defesa contra os raios ultravioleta, capazes de danificar a estrutura do DNA.

Certas substâncias conhecidas como agentes químicos mutagênicos que

incluem agentes alquilantes tais como os compostos do tipo

ClCH2CH2N(R)CH2CH2Cl (onde R é o radical alquila), um "gás mostarda"

nitrogenado usado durante a guerra, pode reagir nitrogênio das bases do DNA. O

ácido nitroso, HNO2, remove grupos amina (transformando, por exemplo,

citidina em uridina). Moléculas com estruturas semelhantes às das bases, como

5-bromouracila, um análogo sintético da timina, podem tornar-se parte da

molécula do DNA, mas não formarão pontes de hidrogênio da maneira como o

fazem as bases que estão sendo substituídas.

Uma doença dita de origem genética pode resultar da alteração na

sequência de aminoácidos de uma proteína, decorrente de uma mutação no DNA.

O erro quando hereditário é transmitido de pais para filhos. Doenças

moleculares tendem a aparecer em grupos raciais particulares, por causa dos

casamentos entre pessoas do mesmo grupo. Na anemia falciforme, que ocorre

principalmente entre os negros, ocorre uma mutação pontual pela substituição

da timina pela adenina, que gera a substituição do ácido glutâmico pela valina,

168

num certo ponto da tradução. Curiosamente, portadores de anemia falciforme

são imunes à malária, doença que aflige os países subdesenvolvidos.

2. MECANISMO DE REPARO

A manutenção da integridade da informação da molécula de DNA é de

extrema importância para a sobrevivência de um organismo em particular, bem

como para a sobrevivência da espécie. O reparo do DNA é realizado de modo geral

em duas fases: a primeira, específica para cada tipo de mutação, consiste na

identificação da mutação e da remoção por meio de endonucleases do seguimento

alterado; na segunda fase, o seguimento removido é substituído pela sequência

correta de nucleotídeos.

O reparo por excisão de bases envolve enzimas que são capazes de

reconhecer danos comuns, a exemplo da desaminação (remoção do grupo -NH2)

da citosina, que ocorre espontaneamente na presença de água, gerando uma

uracila. Enzimas denominadas uracila DNA glicosilases removem a uracila

presente na molécula de DNA clivando a ligação glicosídica da base com o açúcar,

resultando em um sítio apurínico. Posteriormente, uma endonuclease corta o

polinucleotídeo adjacente à posição danificada, uma fosfodiesterase remove o

nucleotídeo sem base, uma DNA polimerase preenche o espaço e por fim a DNA

ligase une o filamento reparado.

169

Por outro lado, o reparo por excisão de nucleotídeos é mais comum entre a

maioria dos organismos, sendo iniciado por uma enzima capaz de originar quebras

unifilamentares na molécula de DNA. Em seguida, O seguimento contendo o

nucleotídeo danificado é removido, juntamente com algumas bases adjacentes. O

espaço vazio é preenchido por uma DNA polimerase, sendo o reparo concluído

pela ação da DNA ligase.

Figura 9.2: Reparo por excisão de base.

Fonte: Brown, 1998.

170

Durante o processo de replicação do DNA, ocorre um mecanismo de reparo

de mau pareamento das bases, que irá identificar e corrigir o erro na fita recém-

sintetizada, e não no filamento parental.

Figura 9.3: Reparo por excisão de nucleotídeo. Fonte: Brown, 1998.

171

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Documents

Livro Genetica Final