Herança genética. Isabel Dias CEI Biologia 12

Transcrição

1 Herança genética

2 Genética Dedica-se ao estudo da hereditariedade, isto é, ao estudo da transmissão de características de uma geração para as seguintes e das variações hereditárias. Podemos dizer que a genética é o estudo dos genes. Hereditariedade: transmissão de caracteres (físicos ou psicológicos) aos descendentes.

3 Herança genética Apesar da grande variabilidade, os descendentes seguem, em regra, o padrão geral da forma e das funções dos seus progenitores. Exercício 1 pág. 59

4 Transmissão das características hereditárias Investigar a transmissão dos caracteres hereditários é, compreender a forma como os genes passam, através dos gâmetas, dos pais para os filhos e de que forma se expressam.

5 O contributo de Mendel A genética é uma ciência jovem, iniciada nos primórdios do Séc XX, altura em que foram redescobertas as leis da hereditariedade, estabelecidas por Gregor Mendel em 1865.

6 Jardins do Mosteiro onde Mendel desenvolveu as suas experiências

7 Mendel estabeleceu algumas leis a partir da análise estatística de resultados experimentais obtidos em cruzamentos realizados com a ervilheira (Pisum sativum).

8 Ervilheira A ervilheira apresenta características adequadas ao hereditariedade: estudo da Características contrastantes; diferenciadas e Fácil cultivo e rápido crescimento; Obtenção de várias gerações e elevado número de descendentes num curto intervalo de tempo; Flor com estrutura adequada à autopolinização e ao controlo da fecundação.

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11 Mecanismos de transmissão hereditária de um par de genes Mendel iniciou os seus trabalhos com cruzamentos de monoibridismo. Para cada uma das características seleccionadas, e durante dois anos, Mendel tentou isolar linhas puras. Monoibridismo: cruzamento entre indivíduos em que se considera a transmissão de um só carácter. Linha pura: indivíduos que, cruzados entre si, originam sempre descendência toda igual entre si e igual aos progenitores, para o carácter considerado. Cruzamento parental: cruzamento entre indivíduos, de duas linhas puras, que expressam formas antagónicas do carácter considerado. Exercício 2 pág. 62

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13 Além do carácter forma da semente, Mendel efectuou outras experiências de monoibridismo envolvendo outros caracteres.

14 É de salientar que Mendel utilizou sempre os cruzamentos recíprocos para verificar a transmissão dos caracteres. Exemplo: lisa x rugosa rugosa x lisa

15 Para todas as características estudadas, Mendel verificou que: Existia uma uniformidade nos híbridos da primeira geração manifestando-se apenas o carácter de um dos progenitores. Na geração F 2, ambas as variantes surgiam na descendência numa proporção de 3 para 1 (3:1).

16 Interpretação de Mendel Existem dois factores alternativos (ou variantes) para a expressão de um dado carácter; Para cada carácter, um organismo herda dois factores, um de cada progenitor; Se dois factores são antagónicos, um é dominante e é totalmente responsável pelo aspecto manifestado, enquanto que o outro é recessivo e não interfere na aparência do indivíduo; Na formação dos gâmetas os dois factores separam-se cada gâmeta fica só com um de cada par (princípio da segregação factorial ou Lei da pureza dos gâmetas).

17 Representação esquemática dos cruzamentos (simplificada) Determinado carácter: Factor dominante: letra maiúscula Factor recessivo: letra minúscula Exercício 3 pág. 65

18 De Mendel à actualidade Factores de Mendel são, actualmente, designados por genes (segmentos de DNA). Cada carácter é determinado por um par de formas alternativas do mesmo gene genes alelos, situados no mesmo local relativo (locus) em cromossomas homólogos. Genoma: conjunto de genes que constitui a informação genética de um indivíduo.

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20 De Mendel à actualidade Genótipo: constituição genética de um indivíduo em relação à(s) característica(s) consideradas. Fenótipo: características observáveis (morfológicas ou funcionais) do indivíduo, resultante da expressão do genótipo (em interacção com o ambiente).

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22 De Mendel à actualidade Indivíduo homozigótico: os alelos do par são idênticos e os seus gâmetas geneticamente semelhantes. Indivíduo heterozigótico: os alelos do par são diferentes e os seus gâmetas portadores de um alelo ou de outro.

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24 Xadrez mendeliano Os cruzamentos costumam ser representados através de um quadro ou matriz de cruzamento com duas entradas. Esta tabela também se pode designar por quadro de Punnett. Numa entrada do quadro inscreve-se a constituição genética dos tipos de gâmetas possíveis para um dos progenitores; na outra entrada, o mesmo tipo de informação para o outro progenitor.

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26 Interpretação moderna dos resultados de Mendel No cruzamento parental os progenitores são homozigóticos dominantes (DD) ou recessivos (dd): Cada progenitor forma gâmetas contendo um só tipo de alelo; Os indivíduos da geração F 1 são 100% heterozigóticos (Dd); Os indivíduos da geração F 2 são: 25% homozigóticos dominantes (DD); 50% heterozigóticos (Dd); 25% homozigóticos recessivos (dd). 75% manifestam o fenótipo dominante; 25% manifestam o recessivo.

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29 Cruzamento-teste (retrocruzamento) Cruzamento entre um indivíduo com fenótipo dominante e genótipo desconhecido e um indivíduo homozigótico recessivo, para os genes considerados. Funciona para descendência numericamente significativas. Exercício 4 pág. 69

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31 Leis de Mendel Vários investigadores organizaram as ideias de Mendel reconfirmadas sob a forma de três leis as quais recentemente foram agrupadas apenas em duas leis: 1ª lei de Mendel (Lei da segregação factorial): os dois elementos de um par de genes alelos separam-se nos gâmetas de tal modo que há probabilidade de metade dos gâmetas transportar um dos alelos e a outra metade transportar o outro alelo. 2ª lei de Mendel (Lei da segregação independente): durante a formação dos gâmetas, a segregação dos alelos de um gene é independente da segregação dos alelos de outro gene.

32 Dominância incompleta Situações em que não há dominância total de um alelo sobre o outro. Expressam-se ambos parcialmente pelo que, em relação ao gene considerado, surge um fenótipo intermédio em indivíduos heterozigóticos.

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34 Não é só nas plantas que se verificam situações de dominância incompleta. Um caso muito conhecido no Reino Animal é aquele que ocorre na galinha andaluz. Quando se cruzam indivíduos brancos com indivíduos pretos (ambos linhas puras), obtém-se uma descendência azul-acinzentada, conhecida como a variedade andaluz.

35 Outra situação em que não se verifica dominância/recessividade entre os alelos de um determinado gene ocorre quando ambos os alelos se expressam com igual influência na determinação do fenótipo. Exemplo: genes envolvidos na determinação da cor do pêlo de alguns bovinos.

36 Co-dominância Situações em que os alelos de um par se expressam ambos completamente no fenótipo, em indivíduos heterozigóticos. Nota: Muitos autores não distinguem a dominância incompleta da codominância, atribuindo esta última designação a todas as situações em que um dos genes alelos não domina o outro.

37 Diibridismo Mendel também analisou a transmissão simultânea de duas características experiências de diibridismo. Nestas experiências, Mendel pretendia verificar se existia alguma interferência na transmissão de dois caracteres distintos (por exemplo forma da semente e cor da semente ) e se essa transmissão se fazia em bloco ou de forma independente. Exercício 6 pág. 72

38 Ao efectuar cruzamentos de plantas homozigóticas para os dois caracteres em estudo (ex. forma e cor da semente) Mendel verificou que: Existe uma uniformidade dos híbridos da 1ª geração (F 1 ) em relação aos caracteres em estudo, manifestando-se os caracteres dominantes. Os recessivos não se manifestam. Todas as sementes são amarelas e lisas. A geração F 2 revelou-se heterogénea surgindo, além dos parentais, dois novos fenótipos (verde/liso e amarelo/rugoso).

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41 Mendel concluiu que os pares de factores hereditários se comportam de uma forma independente, distribuindo-se ao acaso nos gâmetas, o que está de acordo com o princípio da segregação independente. A união aleatória dos 4 tipos de gâmetas origina 16 genótipos, com as seguintes proporções fenotípicas: 9 amarelas e lisas; 3 amarelas e rugosas; 3 verdes e lisas; 1 verde e rugosa.

42 É de salientar que se podem considerar ainda experiências que envolvam mais de dois pares de genes e, portanto, mais de dois loci diferentes, como três, quatro,..., n loci. De igual modo, esses cruzamentos considerarse-ão casos de triibridismo, tetraibridismo,..., poliibridismo.

43 Probabilidades e hereditariedade Existem duas regras básicas das probabilidades com aplicação na transmissão dos caracteres hereditários: A probabilidade de um acontecimento ocorrer é independente da sua ocorrência em tentativas anteriores; A probabilidade de dois acontecimentos independentes ocorrerem conjuntamente é igual ao produto das probabilidades de ocorrerem isoladamente.

44 Cruzamento-teste em diibridismo Cruzamento entre um indivíduo cujo genótipo não se conhece mas com fenótipo que expressa dois alelos dominantes com indivíduos duplos recessivos. Exemplo: verde rugosa x amarela lisa (duplo recessivo) (dominante c/ genótipo desconhecido)

45 Hereditariedade ligada aos cromossomas sexuais Thomas H. Morgan, embriologista da Universidade de Colúmbia (EUA), desenvolveu, a partir de 1910, estudos genéticos com a mosca-da-fruta (Drosophila melanogaster). Recebeu o Prémio Nobel em 1933.

46 A mosca-da-fruta (Drosophila melanogaster) é um excelente material biológico para trabalhos experimentais de genética: Reduzidas dimensões (3 a 4 mm); Fácil conservação, alimentação e manuseamento; Ciclo de vida curto (12 dias); Descendência em número elevado; Fácil distinção dos sexos; Grande variedade de caracteres de fácil observação; Cariótipo com apenas 4 pares de cromossomas (3 pares de autossomas e 1 par sexual).

47 Macho vs Fêmea

48 Ciclo de vida Drosophila melanogaster

49 Cariótipo Drosophila melanogaster

50 Formas de Drosophila A forma de Drosophila predominante na natureza tem o corpo cinzento, olhos vermelhos e asas longas denomina-se selvagem. Outras formas alternativas (mutantes) podem revelar corpo negro, olhos brancos ou asas vestigiais entre outras características.

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54 Representação dos genótipos da Drosophila É costume representar-se a constituição genética das formas alternativas pela letra inicial da palavra inglesa que expressa a característica que elas manifestam. Alelo para olhos brancos W (de white) Quando este locus é ocupado pelo alelo da forma selvagem, este representa-se pela mesma letra associada ao sinal +. Alelo para olhos vermelhos W +

55 Uma das características estudadas por Morgan foi a cor dos olhos das moscas: Exercício 7 pág. 78

56 Transmissão da cor dos olhos em Drosophila Morgan encontrou um macho mutante de olhos brancos e cruzou-o com uma fêmea de olhos vermelhos. Obteve uma geração F 1 com 100% de indivíduos (machos e fêmeas) de olhos vermelhos. Concluiu que o alelo para olhos vermelhos era dominante sobre o alelo mutante para olhos brancos.

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58 No cruzamento recíproco, entre uma fêmea de olhos brancos e um macho de olhos vermelhos, Morgan obteve resultados diferentes. Obteve uma geração F 1 com 50% de indivíduos de olhos vermelhos (todos fêmeas) e 50% de olhos brancos (todos machos). Morgan concluiu que o gene responsável pela cor dos olhos estaria localizado num cromossoma para o qual não existisse um verdadeiro homólogo. Tal verifica-se no par de cromossomas sexuais.

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60 As fêmeas possuem dois cromossomas X (verdadeiros homólogos), os machos possuem um cromossoma X e um cromossoma Y, sem genes correspondentes (não são verdadeiros homólogos). As fêmeas designam-se homogaméticas e os machos heterogaméticos. Morgan concluiu que o gene responsável pela cor dos olhos estaria no cromossoma X.

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62 Características ligadas ao sexo Características cujos genes responsáveis pela sua manifestação se localizam em cromossomas sexuais.

63 Curiosidade Existem no Homem algumas doenças cuja transmissão é idêntica à da cor dos olhos da mosca-da-fruta ou seja o Homem apresenta muitos caracteres ligados ao sexo: Hemofilia; Daltonismo; Hipertricose auricular; Calvície.

64 Ligação factorial O número de cromossomas de um indivíduo é incomparavelmente menor do que o número de genes que condicionam o seu fenótipo. Um cromossoma terá de ter, necessariamente, um grande número de genes. Os genes dispostos ao longo do mesmo cromossoma dizem-se genes ligados factorialmente ou em linkage e constituem um grupo de ligação factorial, sendo transmitidos em bloco aos descendentes. Nesta situação não se verifica a segregação independente (2ª lei de Mendel) embora possa ser explicada pela teoria cromossómica da hereditariedade.

65 Como resultado de crossing-over, durante a meiose, os genes podem separar-se e surgir nos gâmetas como se estivessem situados em cromossomas separados. A descendência será qualitativamente igual à prevista numa segregação independente dos genes; quantitativamente, surgem em proporções alteradas dado que o crossing-over é menos frequente do que a transmissão em bloco dos genes em causa.

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69 Nota... Genes em ligação factorial absoluta: genes ligados factorialmente em que na meiose não há fenómenos de crossing-over ( discrepância com os resultados previstos por Mendel); Genes em ligação factorial parcial: genes ligados factorialmente em que na meiose ocorrem fenómenos de crossing-over ( têm como resultado as mesmas classes fenotípicas obtidas por Mendel mas com diferentes proporções porque a probabilidade de ocorrer crossingover entre dois genes dificilmente é igual à probabilidade de segregação independente).

70 Interacções génicas Situações em que dois ou mais genes não alélicos interactuam para produzir uma determinada característica fenotípica, isto é, um gene de um determinado locus altera a expressão fenotípica de um gene de um segundo locus - EPISTASIA.

71 O facto de existir interacção génica conduz ao surgimento de proporções fenotípicas diferentes das esperadas segundo os princípios de Mendel.

72 Por exemplo, a determinação da cor do pêlo dos ratos e outros mamíferos é determinada por dois genes, localizados em diferentes loci: P responsável pela cor preta (dominante) p responsável pela cor castanha (recessivo) D responsável pela deposição de melanina no pêlo (dominante) d responsável pela ausência de melanina (recessivo)

73 Considere-se o cruzamento entre dois ratos heterozigóticos para os dois genes: PpDd x PpDd

74 Tendo em conta que se trata de um cruzamento de diibridismo, as proporções fenotípicas esperadas (segundo o princípio da segregação independente) seria de 9:3:3:1. Contudo, neste cruzamento, obtém-se: 9 ratos pretos:3 ratos castanhos:4 ratos brancos

75 Assim, considera-se o locus responsável pela deposição de melanina epistático em relação ao locus responsável pela produção deste pigmento. O primeiro gene altera a expressão fenotípica do segundo.

76 Outro exemplo: Transmissão genética da cor do pêlo nos cães da raça labrador: Exercício 8 pág. 84

77 Hereditariedade humana Na espécie humana o modo de transmissão da informação genética de geração em geração realiza-se através dos mesmos mecanismos de hereditariedade que operam noutras espécies. Dificuldades no estudo da hereditariedade humana: Ciclo de vida longo; Pequeno número de descendentes em cada geração; Elevado número de cromossomas; Impossibilidade de cruzamentos experimentais.

78 Árvores genealógicas Um dos primeiros métodos utilizados em genética humana foi a construção e análise de árvores genealógicas. Também designadas por: Heredogramas Pedigree Diagrama que evidencia a história da transmissão de um dado carácter ao longo das gerações. A sua análise permite determinar se os genes envolvidos são dominantes ou recessivos e se estão localizados nos autossomas ou nos cromossomas sexuais.

79 Representação simbólica

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81 Técnicas modernas utilizadas no estudo da hereditariedade humana: Análise do cariótipo; Análise de proteínas; Análise de DNA.

82 Pode ser: Hereditariedade autossómica: transmissão de caracteres cujos genes envolvidos se localizam nos cromossomas não sexuais (autossomas); Hereditariedade ligada ao sexo: transmissão de caracteres cujos genes envolvidos se localizam nos cromossomas sexuais.

83 Hereditariedade autossómica Pode ser dominante ou recessiva. Recessiva: Homens e mulheres são igualmente afectados; Os heterozigóticos (portadores) apresentam fenótipo normal; A maioria dos descendentes afectados possui pais normais; Dois progenitores afectados originam todos os seus descendentes com a anomalia. Dominante: Homens e mulheres são igualmente afectados; A anomalia tende a aparecer em todas as gerações; Os heterozigóticos manifestam a anomalia; Quando um indivíduo manifesta progenitores também a possui; a anomalia, pelo menos um dos Quando um dos progenitores apresenta a anomalia, aproximadamente metade da sua descendência pode ser afectada.

84 Hereditariedade autossómica recessiva Fenilcetonúria (PKU): Resulta da ausência de um gene mutante responsável pela produção da enzima fenilalanina hidroxilase, que permite a transformação do aminoácido fenilalanina em tirosina no fígado. Se esta transformação da fenilalanina em tirosina não ocorrer, aquele acumula-se no sangue, perturbando o desenvolvimento do cérebro. Exercício 9 pág. 87

85 Transmissão da PKU

86 Diagnóstico precoce da PKU: Teste do pezinho (picada no pé do bebé), três dias depois de nascer; Gotas de sangue para papel absorvente (análise); Teste positivo: dieta adequada (pelo menos até aos 8 anos) com alimentos que não possuam o a.a. fenilalanina como por exemplo o leite.

87 Hereditariedade autossómica dominante Doença de Huntington: Doença rara que em Portugal afecta cerca de 1200 indivíduos. Manifesta-se entre os 35 e os 45 anos; Perda progressiva das capacidades intelectuais e motoras.

88 Transmissão da doença de Huntington

89 Também a polidactilia, isto é, a presença de um número de dedos superior a cinco, é determinada por um gene autossómico dominante.

90 Alelos múltiplos (ou Polialelos) Numa população podem existir três ou mais alelos do mesmo gene, concorrentes para um determinado locus que tem, assim, alelos múltiplos. Note-se que, mesmo nesta situação, um indivíduo possui apenas dois dos diversos alelos disponíveis (em cromossomas homólogos). Na espécie humana, os grupos sanguíneos do sistema ABO constituem um exemplo de alelos múltiplos.

91 Na população humana existem quatro grupos sanguíneos, A, B, AB e O, que constituem o sistema ABO. Os diferentes grupos são caracterizados pela presença na superfície da membrana das hemácias de glicoproteínas chamadas antigénios (aglutinogénios). No plasma podem ainda estar presentes proteínas muito relacionadas com os antigénios das hemácias a que se chamam anticorpos (aglutininas). São estes anticorpos que desencadeiam reacções de aglutinação em determinadas transfusões sanguíneas.

92 Um único locus (I), situado no cromossoma 9, pode ser ocupado por três tipos de alelos (I A, I B e I O ), envolvidos nas características dos quatro grupos de sangue. Exercício pág. 90

93 Tipo A hemácias com aglutinogénios A e plasma com aglutininas anti-b; Tipo B - hemácias com aglutinogénios B e plasma com aglutininas anti-a; Tipo AB - hemácias com aglutinogénios A e B e plasma sem aglutininas; Tipo O - hemácias sem aglutinogénios e plasma com aglutininas anti-a e anti-b.

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97 O alelo A domina o alelo O (I A > I O ) O alelo B domina o alelo O (I B > I O ) Os alelos A e B são co-dominantes (I A = I B ) O alelo O é recessivo em relação aos restantes. Exercício pág. 91

98 Hereditariedade humana ligada ao sexo

99 Transmissão genética de genes localizados no cromossoma X Cromossoma X contém muitos genes; Na mulher: 2 cromossomas X pares de alelos; Os alelos recessivos só se manifestam em homozigotia. No homem: 1 cromossoma X não há pares de alelos; Os alelos localizados no cromossoma X manifestam-se quer sejam dominantes quer sejam recessivos.

100 A hemofilia e o daltonismo são anomalias hereditárias causadas por alelos recessivos localizados no cromossoma X. Da análise da transmissão hereditária deste tipo de alelos pode concluir-se que: Afecta, com muito maior frequência, os homens; As mulheres heterozigóticas (portadoras) não manifestam a característica; Os homens que manifestam a característica transmitem o alelo apenas às filhas; Uma mulher que manifeste a característica é filha de um pai afectado e de uma mãe afectada ou portadora.

101 Transmissão do Daltonismo Causado por um gene recessivo localizado no cromossoma X; Frequência: 10% nos homens; 0,3% nas mulheres; Caracteriza-se por uma incapacidade em distinguir determinadas cores. Exercício pág. 94

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103 Em resumo... Mulher Homem Genótipo X D X D X D X d X d X d X D Y X d Y Fenótipo Normal Normal Daltónica Normal Daltónico

104 Transmissão da hemofilia Hemofilia: doença que resulta da mutação de um gene responsável pela síntese de uma proteína para que a coagulação sanguínea ocorra. A carência desta proteína faz com que uma pequena hemorragia possa demorar várias horas ou em casos mais graves leve à morte. Dois tipos (mais frequentes): Hemofilia A: ausência do factor de coagulação VIII; Hemofilia B: ausência do factor de coagulação IX. Ambas resultam de genes recessivos localizados no cromossoma X. X H gene normal X h gene da hemofilia

105 Exercício pág. 96

106 Além das doenças hereditárias, podem ser estudadas muitas outras características do fenótipo humano.