Coletânea de textos GENÉTICA & CITOGENÉTICA. Prof. Dr. Fábio Mesquita do Nascimento

Transcrição

1 1 Coletânea de textos GENÉTICA & CITOGENÉTICA Prof. Dr. Fábio Mesquita do Nascimento

2 2 MÓDULO I GENÉTICA

3 1 - Introdução DNA, GENES E OUTROS CONCEITOS 1 Questões rotineiras em nossa vida começam a emergir ainda quando somos crianças, e certamente vêm intrigando a humanidade desde o advento das capacidades cognitivas: "Por que as crianças se parecem com seus pais?"; "Por que na ninhada de um casal de gatos nascem apenas gatinhos, e não outros tipos de seres vivos?" ou "Por que algumas doenças são mais comuns ao longo das gerações de certas famílias e não em outras?". As respostas para questões como estas se encontram em um ramo das Ciências Biológicas denominado Genética, que engloba um corpo de conhecimento cujas dimensões vão da hereditariedade aos mais intrincados aspectos moleculares do funcionamento celular. A genética como um conjunto de princípios e procedimentos analíticos se iniciou apenas em 1860, com o trabalho pioneiro de um monge agostiniano chamado Gregor Mendel, mas foi no século XX que houve uma significativa expansão desta área do conhecimento, nos permitindo elaborar uma definição mais ampla da genética como sendo o estudo dos genes. A compreensão plena do que seja um gene só se tornou viável após a descoberta da estrutura e funcionamento do DNA, algo que se iniciou na década de 1950 e continua até os dias de hoje. 2 - Estrutura e funcionamento do DNA: um resumo O DNA, ou ácido desoxirribonucléico, é uma molécula helicoidal filamentosa localizada no interior do núcleo de células eucariontes (daí o nome genérico de ácido nucléico atribuído ao DNA). Sua estrutura se assemelha a uma escada em caracol, denominada dupla-hélice. A dupla-hélice é composta de duas cadeias de materiais estruturais interligados, os nucleotídeos. Dá-se o nome de polinucleotídeo ao conjunto de nucleotídeos interligados. NUCLEOTÍDEOS: UNIDADES FORMADORAS DO DNA POLINUCLEOTÍDEO ADENINA TIMINA GUANINA CITOSINA Fosfato AÇÚCAR FOSFATO BASES NITROGENADAS ÁCIDO FOSFÓRICO NUCLEOTÍDEO Açúcar Bases nitrogenadas ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLÉICO ADN ou DNA

4 2 Cada nucleotídeo consiste em grupamento fosfato, um açúcar (desoxirribose) e uma das seguintes bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina ou guanina. Portanto, existem quatro tipos de nucleotídeos, diferentes apenas pela base nitrogenada que compõe cada um. Cada um destes quatro nucleotídeos é geralmente designado pela primeira letra da base nitrogenada que contém: A, G, C ou T. As duas cadeias ou fitas de polinucleotídeos do DNA são mantidas juntas por ligações de hidrogênio. Tais ligações são específicas devido a um ajuste do tipo "chave-fechadura" entre duas bases nitrogenadas. A adenina pareia-se apenas com timina (por meio de duas ligações de hidrogênio) e a citosina apenas com guanina (por meio de três ligações de hidrogênio). As bases que formam os pares são ditas complementares. LIGAÇÕES ENTRE AS BASES NITROGENADAS NO DNA FITA 1 FITA 2 A A C T A G T Ligações de hidrogênio T T G A T C A ESTRUTURA DO DNA FITA 1 FITA 2 Pares de bases Adenina Timina Guanina Citosina Açúcar + fosfato Dupla-hélice Uma propriedade do DNA de grande importância no contexto da genética é a replicação ou auto-duplicação, ou seja, a capacidade de uma molécula de DNA originar outra idêntica. Para que este processo ocorra é necessária a atuação conjunto de diversas enzimas (helicase, primase, topoisomerase, polimerase, ligase), que irão separar as duas fitas originais do DNA, que servirão, cada uma, como molde para a síntese de duas novas outras moléculas. Como cada novo DNA contém uma de suas fitas proveniente da molécula precursora, este fenômeno é dito semiconservativo. Certos segmentos de tamanho e constituição definidos de DNA também servem como molde para a síntese de outro tipo de ácido nucléico, o RNA (ácido ribonucléico). Tais segmentos de DNA recebem a denominação de genes. Ao contrário do DNA, o RNA é constituído apenas por uma cadeia (fita) polinucleotídica, que apresenta dimensões reduzidas em relação ao comprimento total alcançado por uma molécula de DNA. Além disso, o açúcar que forma os nucleotídeos do RNA é a ribose (no DNA é a desoxirribose), e nestes nucleotídeos não é encontrada a base nitrogenada timina (T), cuja posição é ocupada por uma outra base, a uracila. É importante salientar que a

5 constituição de nucleotídeos do RNA depende diretamente da seqüência de nucleotídeos encontrada em seu gene correspondente. 3 REPLICAÇÃO OU AUTODUPLICAÇÃO DO DNA DIFERENÇAS ENTRE DNA E RNA TIMINA URACILA Desoxirribose Bases Ribose Bases ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLÉICO ÁCIDO RIBONUCLÉICO DUPLA FITA SIMPLES FITA Há três tipos de RNA: mensageiro (RNA-m), ribossômico (RNA-r) e transportador (RNA-t). O processo de fabricação de RNA a partir de DNA é denominado transcrição, e requer a participação de certas enzimas (RNA-polimerase, entre outras). Para que ocorra a síntese de RNA, é necessário que as duas fitas de DNA se separem ao longo de um trecho determinado, de modo que somente uma destas fitas servirá de molde para a síntese do RNA correspondente. Esse processo de síntese ocorre basicamente pela inserção de novos nucleotídeos de RNA por meio da enzima RNApolimerase. TRANSCRIÇÃO: DNA RNA RNA ribossômico (RNA-r) RIBOSSOMO TIPOS DE RNA aminoácido RNA transportador (RNA-t) RNA mensageiro (RNA-m) Resumidamente, as funções exercidas pelos três tipos de RNA são: RNA-r: compõe, em conjunto com proteínas específicas, a organela ribossomo, onde ocorrerá a síntese de proteínas. RNA-t: liga-se a aminoácidos e os transporta ao local de síntese protéica (um RNA-t transporta apenas um aminoácido). RNA-m: liga-se ao ribossomo e serve de base de emparelhamento dos RNA-t que transportam aminoácidos para o processo de síntese protéica.

6 4 A síntese de proteínas é um processo denominado tradução e requer a participação conjunta dos três tipos de RNA. Em linhas gerais, o processo requer as seguintes etapas: a) Ligação do RNA-m ao ribossomo. b) Emparelhamento das trincas de bases nitrogenadas de RNA-t (anticódons) às trincas complementares no RNA-m (códon). Estes emparelhamentos ocorrem na porção do RNA-m associada ao ribossomo. c) Ligação peptídica entre os aminoácidos localizados em RNA-t vizinhos. À medida que o ribossomo se desloca sobre o RNA-m e novos RNA-t são emparelhados, novos aminoácidos são adicionados à cadeia em formação. d) A cadeia polipeptídica se completa e é liberada no citoplasma da célula. Esta cadeia pode equivaler a uma proteína que irá desempenhar uma função específica. SÍNTESE DE PROTEÍNAS = TRADUÇÃO SÍNTESE DE PROTEÍNAS = TRADUÇÃO PROTEÍNA: OBJETIVO FINAL Aminoácidos Ribossomo Códon = trinca de bases do RNA-m RNA-t RNA-m 1) 4) Cadeia de aminoácidos RNA-t + aminoácido 2) 5) Ligação entre aminoácidos vizinhos Anticódon : trinca de bases do RNA-t 3) Molécula de proteína Sem dúvida, as proteínas são componentes orgânicos essenciais aos seres vivos. Elas constituem e modelam estruturas, catalisam reações químicas vitais, transportam gases respiratórios, combatem agentes nocivos ao organismo, etc., e são sintetizadas no interior das células de acordo com o processo de tradução descrito anteriormente. É importante lembrar que este processo é efetuado por meio de um trabalho conjunto de diferentes tipos de RNA, os quais são sintetizados a partir do DNA através da transcrição. Concluindo: as informações para a síntese das proteínas que compõem um organismo se encontram sob forma de seqüência de nucleotídeos em seu DNA. A combinação de efeitos diretos ou indiretos dos diferentes tipos de proteínas confere ao organismo características estruturais e funcionais próprias, às quais denominamos fenótipo. Assim, fenótipo pode ser a cor das pétalas e o formato de uma flor, o coaxar de um sapo e o tipo de veneno secretado em suas glândulas, a forma e a consistência de ossos, dentes e unhas, a cor de olhos, pele e cabelos em humanos, etc. Convém lembrar que as características protéicas refletem a composição de nucleotídeos de um gene específico.

7 5 DO GENE À PROTEÍNA PROTEÍNAS TRANSCRIÇÃO Gene: segmento de DNA que fabrica um RNA específico TRADUÇÃO Aminoácidos O DNA é uma molécula sujeita a sofrer pequenas modificações em sua composição nucleotídica. Tais mudanças são chamadas de mutações. Considerando que ocorra mutação em um determinado gene, conseqüentemente haverá mudanças também no RNA transcrito por este segmento de DNA, o que implicará (embora nem sempre) em alteração na proteína final. Sendo assim, um mesmo gene pode ter uma versão não-mutante (dita selvagem) e uma ou várias versões mutantes. As diferentes versões desse mesmo segmento de DNA são reconhecidas pelo nome de alelos. MUTAÇÃO EFEITO DA MUTAÇÃO Alteração no DNA Alelo original Alelo mutante Alteração no RNA Alteração na proteína ALELOS = Formas variantes do mesmo gene 3 Conceitos básicos em genética Como já mencionado anteriormente, as moléculas de DNA de uma célula eucarionte encontram-se no núcleo (com exceção do DNA mitocondrial). Neste local, os filamentos de DNA e seus genes formam agregados com proteínas específicas, constituindo a estrutura dos cromossomos. Cada cromossomo possui uma única e longa molécula de DNA, e esta, por sua vez, encerra diversos genes diferentes. A posição do cromossomo em que se encontra um determinado gene é sempre a

8 mesma, e é conhecida como loco (ou locus) gênico. Em um loco de determinado cromossomo, podemos encontrar o gene em sua forma selvagem ou em sua (s) forma (s) mutante (s). Em uma célula diplóide, existem dois exemplares de cada tipo diferente de cromossomo. Um dos exemplares é proveniente do pai e o outro da mãe. Por exemplo, na espécie humana há 23 tipos diferentes de cromossomos, mas, em uma célula diplóide há um total de 46 cromossomos. Denominam-se cromossomos homólogos os exemplares do mesmo tipo cromossômico provenientes de genitores diferentes. A seqüência de locos gênicos em pares de cromossomos homólogos é a mesma. Sendo assim, existem dois exemplares do mesmo gene em uma célula diplóide. Entretanto, estes dois exemplares não são necessariamente idênticos. Em outras palavras, se os dois exemplares (alelos) do mesmo gene forem idênticos (ambos selvagens ou ambos mutantes), esta será uma combinação homozigota; por outro lado, se os dois exemplares (alelos) do mesmo gene presentes no par de cromossomos homólogos forem diferentes (um selvagem e outro mutante), esta será uma combinação heterozigota. Estas combinações de pares de alelos são denominadas genótipos. COMBINAÇÕES DE ALELOS NOS CROMOSSOMOS HOMÓLOGOS Existem diversas formas de se representar os genes. Talvez a mais usual seja aquela que emprega letras. Neste caso, nos referimos aos genes como gene A, gene B, gene C, etc. Para distinguir as diferentes versões (selvagem e mutante) de um mesmo gene, costuma-se manter a mesma letra, porém com variações que identificam especificamente cada alelo. Por exemplo, no caso do gene A, pode-se representar o alelo selvagem por letra maiúscula (A) e o mutante por letra minúscula (a), ou vice-versa. O emprego de números após a letra que representa o gene também é usual (A1, A2, etc.). GENÓTIPOS = Combinações de alelos Conforme já mencionado, os alelos selvagens e mutantes diferem quanto à característica da proteína fabricada. Suponha que um certo alelo selvagem A seja responsável pela produção de um pigmento protéico escuro, depositado nas asas de uma espécie de inseto. O alelo mutante a leva à síntese de uma proteína com propriedades diferentes do pigmento protéico selvagem, não conferindo, portanto, nenhum tipo de Produz pigmento (proteína) Dominante FENÓTIPOS: Alelo selvagem Pigmentado EXEMPLO Alelo mutante Pigmentado Não produz pigmento 6 Recessivo Não pigmentado

9 7 pigmentação à asa do inseto. Insetos de genótipo homozigoto AA apresentarão asa pigmentada, ao passo que os homozigotos aa não apresentarão o referido pigmento protéico em suas asas. A grande questão fica por conta do genótipo heterozigoto (Aa): que tipo de fenótipo irá manifestar? Considerando que os indivíduos heterozigotos apresentem fenótipo tão pigmentado quanto o dos indivíduos AA, dizemos que o alelo A é dominante sobre o alelo a, o qual passa a ser chamado de recessivo. Ou seja, no genótipo heterozigoto, manifesta-se a característica determinada pelo alelo dominante, não importando se este alelo dominante é o selvagem ou o mutante. Por outro lado, o alelo recessivo se manifestará apenas em homozigose (aa).

10 OS EXPERIMENTOS DE MENDEL 8 1 Introdução Historicamente o ser humano vem procurando elaborar explicações para o fato de os indivíduos da prole se assemelharem aos genitores. Antes do mendelismo, pouco progresso havia sido obtido na compreensão dos mecanismos da hereditariedade. A idéia predominante era a de que os espermatozóides e ovócitos continham uma amostra das essências de várias partes do corpo de cada genitor. No momento da fecundação, estas essências de algum modo se misturavam para influenciar o desenvolvimento de um novo indivíduo. Esta idéia, conhecida como herança por mistura, não explicava, entretanto, porque a prole nem sempre é uma mistura intermediária das características de seus genitores. Como iremos descrever a seguir, Mendel, por meio de experimentos muito bem elaborados, propôs uma teoria de herança particulada, ou seja, sugeriu que as características são determinadas por unidades discretas ( partículas ) que, ao invés de se misturarem umas com as outras na prole, passam intactas ao longo das gerações. 2 Escolha do organismo e das características a serem estudadas A genética como uma ciência se iniciou com os experimentos do monge Gregor Mendel, no mosteiro agostiniano de St. Thomas, na cidade de Brünn (hoje denominada Brno, na República Tcheca). Este era um mosteiro dedicado ao ensino de ciências e à pesquisa científica. Mendel escolheu para estudo a ervilha de jardim (Pisum sativum), principalmente pelo fato de haver uma grande variabilidade de características nesta espécie, e também porque estas plantas podem ser facilmente autofecundadas por manipulação. Além disso, são plantas que têm um curto tempo de geração e produzem uma grande prole. Seu programa de pesquisa sobre hibridação em ervilhas lhe rendeu, postumamente, o título de fundador da ciência da genética. As características selecionadas por Mendel encontram-se listadas na tabela fornecida abaixo: Característica da ervilha Fenótipos possíveis Forma da semente Lisa ou rugosa Cor da semente Amarela ou verde Cor das flores Púrpura ou branca Formato da vagem Inflada ou murcha Cor da vagem Verde ou amarela Posição das flores no caule Axial ou terminal Comprimento do caule Longo ou curto

11 9 É interessante ressaltar que os termos característica e fenótipo podem ser empregados de modos diferentes, e não existe um consenso quanto ao emprego dos mesmos. A palavra característica, do modo como empregada por Mendel em seu trabalho, significa uma propriedade específica de um organismo, aquilo que os geneticistas costumam chamar de caráter. Por outro lado, fenótipo é um termo que se refere a uma variedade específica assumida pelo caráter, e não foi criado por Mendel e sim por geneticistas do século XX. Como exemplo do emprego destes termos, podemos dizer que para o caráter (característica) cor de semente, os fenótipos podem ser amarelo ou verde. 3 Obtenção de linhagens puras Para cada uma das características escolhidas, Mendel obteve linhagens puras de plantas quanto aos fenótipos apresentados, ou seja, populações que não apresentavam variação quanto à característica que estava sendo estudada. No caso das ervilhas, isso foi possível ao final de várias gerações de autofecundação de plantas que apresentavam determinado fenótipo. Por exemplo, ao autofecundar uma planta de caule longo, nasciam descendentes de caule longo e de caule curto. Selecionando-se apenas os descendentes de caule longo e efetuando-se nova autofecundação, obtinha-se nova descendência, da qual apenas os indivíduos de caule longo eram utilizados para nova autofecundação e assim por diante. Após várias gerações de seleção e autofecundação, criou-se uma população de plantas de caule longo cuja descendência certamente seria composta apenas por plantas de caule longo. Neste caso, estaria estabelecida uma linhagem pura de plantas de caule longo. O mesmo procedimento foi adotado por Mendel para as demais características, com obtenção de resultados semelhantes. 4 Os cruzamentos e seus resultados O ponto de partida em qualquer análise genética é a existência de fenótipos contrastantes para uma determinada característica. O passo seguinte é a delineação de cruzamentos entre indivíduos divergentes quanto a estes fenótipos, e este foi o procedimento adotado por Mendel após a obtenção das linhagens puras para cada uma das sete características selecionadas. Em um de seus primeiros experimentos, Mendel polinizou uma planta de flor púrpura com o pólen de planta de flor branca, ambas puras quanto ao seu fenótipo. Estas plantas de linhagens puras empregadas nos cruzamentos constituem o que se denomina, em genética, de geração parental (ou, simplesmente, geração P).

12 10 A partir do cruzamento mencionado acima, nasceram apenas plantas que tinham flores púrpuras. Esta geração de prole é chamada de primeira geração filial (ou, simplesmente, geração F 1 ). (As gerações subseqüentes produzidas por autofecundação são simbolizadas por F 2, F 3, e assim por diante). Logo, se um genitor puro tem flores púrpuras e o outro flores brancas, todas as plantas da F 1 têm flores tão púrpuras quanto aquelas do genitor puro. Neste caso, a herança não era uma simples mistura das cores púrpura e branca para produzir uma cor intermediária. Era como se, de algum modo, a cor púrpura fosse mais forte que a cor branca e superasse qualquer traço do fenótipo branco na mistura. Em seguida, Mendel autofecundou as plantas de F 1, e obteve 929 sementes de ervilha desta autofecundação, plantando-as em seguida. Cada uma destas sementes correspondia, portanto, a um indivíduo da geração F 2, uma vez que iria se desenvolver em uma nova planta. Surpreendentemente, na geração F 2 nasceram plantas que manifestaram o fenótipo branco para a cor das flores, o qual fora banido da geração F 1! Mais especificamente, em F 2 Mendel contou 705 plantas de flores púrpuras e 224 plantas de flores brancas. Ele notou que a proporção de 705:224 é quase exatamente uma proporção de 3:1 (de fato é 3,1:1). Mendel repetiu os procedimentos de cruzamento para as seis outras características selecionadas, e, em todos os casos, verificou que um fenótipo parental desaparecia em F 1 e reaparecia em ¼ da F 2. Ou seja, a mesma proporção de 3:1 na geração F 2 foi obtida em cada uma das situações, como demonstrado na tabela a seguir: Fenótipo parental (geração P) Geração F 1 Geração F 2 (números absolutos) Proporção na F 2 Sementes: lisa x rugosa Todas lisas lisas; rugosas 2,96:1 Sementes: amarela x verde Todas amarelas amarelas; 2001 verdes 3,01:1 Pétalas: púrpura x branca Todas púrpuras 705 púrpuras; 224 brancas 3,15:1 Vagem: inflada x murcha Todas infladas 882 infladas; 299 murchas 2,95:1 Vagem: verde x amarela Todas verdes 428 verdes; 152 amarelas 2,82:1 Flores: axiais x terminais Todas axiais 651 axiais; 207 terminais 3,14:1 Caule: longo x curto Todos longos 787 longos; 277 curtos 2,84:1 O que explicaria o fato de na geração F 1 um dos fenótipos desaparecer? Por que esta prole não manifestava um fenótipo intermediário entre púrpura e branco, como era de se esperar pela teoria da herança por mistura? Muito embora todas flores de F 1 fossem púrpuras, as plantas

13 evidentemente ainda tinham o potencial de produzir uma prole com flores brancas, e este potencial foi de fato confirmado em F 2. Mendel deduziu que as plantas F 1 recebem de seus genitores as habilidades de produzir tanto fenótipo púrpura quanto branco, e essas habilidades são mantidas e passadas adiante para as futuras gerações, ao invés de serem misturadas. Mendel empregou os termos dominante e recessivo para explicar o fenômeno observado para todas as características na geração F 1. O fenótipo que se manifestava na F 1 foi considerado dominante, e aquele fenótipo não manifestado nesta geração recebeu o nome de recessivo. Assim, flor púrpura é dominante sobre flor branca. A flor branca, por sua vez, é recessiva em relação à flor púrpura. Por definição, o fenótipo parental que se expressa na F 1 é o dominante. Na F 2, Mendel observou que a proporção 3:1 representava a relação entre fenótipos dominantes e recessivos. Ou seja, a cada quatro indivíduos pertencentes à F 2, a proporção era de três fenótipos dominantes para um fenótipo recessivo. Por exemplo, em F 2 a proporção era de 3 sementes amarelas para uma verde. Mendel continuou os cruzamentos e obteve, pela autofecundação dos indivíduos F 2, uma geração F 3, e analisou a quantidade de sementes amarelas e verdes geradas. Os resultados deste cruzamento foram interessantes: Sementes verdes em F 2 originavam apenas sementes verdes em F 3. Logo, todas as sementes verdes (fenótipo recessivo) em F 2 eram puras. 1 das sementes amarelas em F 4 2 originavam apenas sementes amarelas em F 3. Logo, estas sementes amarelas em F 2 eram puras. 2 das sementes amarelas em F 4 2 originavam tanto sementes amarelas quanto verdes em F 3. Logo, tais sementes amarelas de F 2 eram impuras ou híbridas, tais como as sementes amarelas obtidas em F Sendo assim, uma nova proporção foi obtida em F 2 : a cada quatro indivíduos desta geração, um era amarelo puro, dois eram amarelos impuros e um era verde puro, ou, representando numericamente, a proporção 3:1 podia ser desmembrada em 1:2:1. Os experimentos de Mendel para a cor da semente podem ser representados esquematicamente da seguinte forma:

14 12 autofecundação autofecundação autofecundação 5 As explicações de Mendel e a primeira lei Baseando-se em seus resultados, Mendel propôs uma hipótese que explicava de maneira engenhosa os números que obteve em cada geração: a. A herança deveria ser particulada, e tais partículas hereditárias (às quais ele denominou fatores ) determinariam as características do indivíduo e passariam intactas para sua prole. b. As partículas hereditárias se combinariam aos pares em cada indivíduo. c. Na formação de um novo indivíduo, seria necessário que um dos genitores enviasse, por via gamética, apenas uma dessas partículas, as quais constituiriam um novo par neste indivíduo em formação. Sendo assim, na formação dos gametas dos genitores, suas partículas seriam segregadas, ou seja, seriam separadas, de modo que cada gameta deveria conter apenas uma dessas partículas. d. A combinação entre os gametas provenientes de cada genitor ocorreria ao acaso, sem haver nenhum tipo de favorecimento. Hoje sabemos que estas partículas hereditárias correspondem aos genes, que geralmente apresentam formas distintas conhecidas como alelos. A representação simbólica dos genes por letras (A, B, C, etc.) já havia sido adotada por Mendel, embora os termos gene e alelo só tenham sido propostos após sua morte. Na representação dos genes, geralmente o uso de letra maiúscula (A, B, C, etc.) se refere ao alelo que determina o fenótipo dominante, ao passo que letra

15 13 minúscula (a, b, c, etc.) representa o alelo que determina o fenótipo recessivo. O uso desta simbologia auxiliou Mendel a interpretar os resultados obtidos nos experimentos, como podemos observar no esquema a seguir: (AA) (aa) (Aa) autofecundação (AA) (Aa) (aa) autofecundação autofecundação (AA) (AA, Aa e aa) (aa) O diagrama abaixo mostra mais detalhadamente a ocorrência do processo: Gameta parental (somente A) Gameta parental (somente a) Gametas femininos Gametas masculinos ½ ½ ½ ¼ ¼ ½ ¼ ¼

16 14 Note que na geração F 2 do esquema anterior, considerando que os gametas masculinos e femininos se combinem ao acaso, das quatro combinações possíveis, três correspondem ao fenótipo dominante (por exemplo, ervilha amarela) e uma corresponde ao fenótipo recessivo (por exemplo, ervilha verde). Assim, se explica a proporção 3:1 observada por Mendel. Por outro lado, há três genótipos possíveis em F 2, sendo ¼ AA, 2/4Aa e ¼ aa, o que, simplificando, equivale à proporção 1:2:1 também constatada por Mendel. Os termos atuais que designam estas duas proporções são proporção fenotípica (a proporção 3:1) e proporção genotípica (proporção 1:2:1). Estava, assim, estabelecido um modelo por Mendel. Para testar este modelo, ele cruzou uma planta F 1 (semente amarela impura, ou seja, genótipo Aa) com uma planta de semente verde (sempre pura, genótipo aa). Se o seu modelo estivesse correto, era de se esperar que deste cruzamento nascesse uma prole constituída por sementes amarelas e verdes em uma proporção fenotípica de 1:1. Neste experimento, Mendel obteve 58 amarelas e 52 verdes, uma grande aproximação da previsão inicial de 1:1, confirmando, assim, que os alelos A e a presentes em F 1 se segregam (separam) na formação dos gametas, de modo que metade dos gametas recebe A e metade recebe a. Essa segregação igual tem tido um reconhecimento formal como a primeira lei de Mendel: Os dois membros de um par de alelos se segregam um do outro para os gametas; assim, metade dos gametas leva um membro do par e a outra metade dos gametas leva o outro membro do par. É interessante notar que a existência de genes foi originalmente deduzida (e ainda é hoje em dia) observando as exatas proporções matemáticas nos descendentes de dois indivíduos parentais geneticamente diferentes. Mendel fez algo que marcou o nascimento da genética moderna: ele contou o número de indivíduos com cada fenótipo. Este procedimento raramente, ou nunca, tinha sido usado em estudos de herança antes do trabalho de Mendel. Assim, podemos afirmar que a genética mendeliana e o raciocínio lógico-matemático andam juntos, de mãos dadas. 6 Análise conjunta de mais de uma característica: a segunda lei Os experimentos de Mendel descritos até agora se basearam em duas linhagens parentais que diferiam por uma característica. Tais linhagens produzem uma prole F 1 que é heterozigota (genótipo Aa) para um dado fenótipo. Tais heterozigotos são também chamados de monoíbridos. Um cruzamento monoíbrido implica na autofecundação deste indivíduo heterozigoto ou no cruzamento deste indivíduo com outro igualmente heterozigoto. Este cruzamento fornece a proporção fenotípica de 3:1, que sugere a segregação igual dos alelos.

17 15 Mendel também analisou os descendentes de linhagens puras que diferiam em duas características. Por exemplo, uma planta que produzia sementes amarelas e rugosas, pura quanto às duas características (genótipo AAbb), com outra planta que produzia sementes verdes e lisas, igualmente pura (genótipo aabb). O cruzamento entre estas duas linhagens produziu sementes diíbridas de F 1 com o genótipo AaBb, que ele verificou serem lisas e amarelas. Mendel já tinha conhecimento prévio de que os fenótipos amarelo e liso eram dominantes, e este resultado mostrou que a heterozigose em um par de alelos em F 1 não interferia na manifestação do fenótipo do outro par. O próximo passo foi autofecundar indivíduos F 1 diíbridos para obter a geração F 2. Os resultados de F 2 revelaram quatro fenótipos diferentes, nas proporções apresentadas na tabela a seguir: Fenótipo parental (geração P) Geração F 1 (amarela,rugosa) x (verde,lisa) Todas (amarelas,lisas) Geração F 2 (números absolutos) 315 (amarelas,lisas) 108 (verdes,lisas) 101 (amarelas,rugosas) 32 (verdes,rugosas) Proporção na F = = = = 556 Total 556 sementes

18 16 Ao representar genotipicamente os cruzamentos realizados, teríamos: Gameta parental (somente Ab) Gameta parental (somente ab) Gametas femininos Gametas masculinos No esquema acima, observe que: Na formação dos gametas parentais, há apenas um representante do gene A (que determina cor da semente) e um do gene B (que determina textura da semente). Em F 1, tanto nos gametas femininos quanto nos masculinos, há quatro tipos de combinações diferentes entre os alelos pertencentes aos genes A e B. Em F 1, tanto na formação dos gametas femininos quanto dos masculinos, as combinações entre os diferentes alelos pertencentes aos genes A e B ocorre de maneira aleatória e em iguais proporções (1/4 de cada). Isso resulta do fato de que a segregação entre os alelos A e a ocorre de maneira independente da segregação entre os alelos B e b. Existem 16 possibilidades de combinação entre gametas masculinos e femininos de F 1 para a formação dos indivíduos pertencentes a F 2. Das 16 possibilidades de combinação de gametas para a formação de F 2, 9 são (amarelas, lisas), 3 são (amarelas, rugosas), 3 são (verdes, lisas) e 1 é (verde, rugosa). Isso equivale à proporção 9:3:3:1, observada nos resultados obtidos por Mendel, conforme visto anteriormente.

19 17 O modo como Mendel concebeu essa explicação para a proporção 9:3:3:1 ficou conhecido como segunda lei de Mendel, e pode ser expressa da seguinte forma: "pares de genes diferentes se segregam independentemente na formação dos gametas". 7 Teoria cromossômica da herança As explicações de Mendel para os mecanismos biológicos relacionados à hereditariedade foram baseadas puramente em raciocínio lógico-matemático. Sua idéia de herança particulada não contou com nenhum tipo de conhecimento a respeito dos mecanismos de divisão celular, até mesmo porque tais mecanismos eram desconhecidos à época. Somente anos após a publicação de Mendel, o processo de produção de gametas foi descrito em detalhes citológicos, tais como o comportamento dos cromossomos durante a meiose. Hoje em dia já sabemos que nas células diplóides de um organismo, os cromossomos estão aos pares, os chamados homólogos. Estes pares de homólogos se separam (segregam) durante a prófase da meiose I, de modo que, ao final do processo, cada gameta contará apenas com um representante de cada par de homólogos. A formação em pares dos homólogos será restituída após a fecundação, quando os representantes paterno e materno, veiculados pelos respectivos gametas, se unem. Qual não foi a surpresa dos geneticistas ao compararem o processo de separação dos cromossomos homólogos às explicações sobre a segregação das "partículas de herança" fornecidas por Mendel. Tudo se sobrepunha perfeitamente. Nas células diplóides, os homólogos estão aos pares; Mendel afirmava que os alelos de um gene também. Durante a formação dos gametas, os homólogos se separam; Mendel afirmava que os alelos de um gene também. Durante a fecundação, os homólogos maternos e paternos se juntam e restituem a composição em pares; Mendel afirmava o mesmo quanto aos alelos. A dedução que se pode tirar desse tipo de comparação é a de que os cromossomos são as unidades físicas onde se situam os genes. Esta constatação ficou conhecida como teoria cromossômica da herança. O esquema abaixo ilustra esta segregação: Célula diplóide de um organismo Gametas

20 18 Esta comparação entre separação de homólogos e de alelos explica perfeitamente a primeira lei de Mendel. E quanto à segunda lei, qual seria a explicação cromossômica? Na verdade, sabemos atualmente que a segunda lei de Mendel só é aplicável em casos em que dois genes (A e B, por exemplo) se situam em pares de cromossomos homólogos diferentes (como na situação 1 abaixo). Caso os genes diferentes se situassem no mesmo par de homólogos (situação 2), a proporção fenotípica obtida em F2 seria bem diferente de 9:3:3:1. Este será um caso analisado mais adiante. Genes A e B localizados em homólogos distintos Célula diplóide do organismo SITUAÇÃO 1 Possíveis gametas formados pelo organismo Quando submetidos a uma autofecundação, originam uma F 2 cuja proporção fenotípica é 9:3:3:1 Genes A e B localizados em um mesmo par de homólogos Célula diplóide do organismo SITUAÇÃO 2 Possíveis gametas formados pelo organismo Quando submetidos a uma autofecundação, originam uma F 2 cuja proporção fenotípica é diferente de 9:3:3:1.

21 8 Genética e previsões 19 Conforme foi demonstrado, a genética mendeliana possui uma base lógico-matemática muito bem fundamentada. Embora o modelo experimental utilizado por Mendel tenha sido a ervilha, o mesmo tipo de raciocínio é aplicável a outras espécies de seres vivos, inclusive os seres humanos, e os resultados são os mesmos previstos pela primeira e pela segunda lei de Mendel. Essa previsibilidade de resultados é uma ferramenta que pode ser aplicada em diversas situações. Os exemplos mais clássicos são encontrados na genética médica, quando o interesse é conhecer os riscos de manifestação de alguma anomalia genética na prole. Em casos como esse, a genética mendeliana, associada a regras estatísticas, auxilia na tomada de decisões por parte de casais que procurem a orientação de um geneticista. Um dos métodos mais empregados para facilitar a obtenção de estimativas é denominado quadrado de Punnett. Este método já foi apresentado na ocasião em que a primeira lei de Mendel foi discutida. Gameta parental (somente A) Gameta parental (somente a) Gametas femininos Gametas masculinos ½ ½ ½ ¼ ¼ Quadrado de Punnett ½ ¼ ¼ Neste quadrado, fica fácil visualizar as diversas possibilidades de combinação entre gametas masculinos e femininos em um cruzamento. Tais possibilidades têm igual chance de ocorrer, já que as combinações ocorrem inteiramente ao acaso. No exemplo acima, percebemos que, das quatro combinações possíveis, as proporções de cada genótipo resultante entre os gametas são ¼ AA, 2/4 Aa e ¼ aa. Estas proporções podem ser convertidas em probabilidades.

22 20 Imagine que um casal humano seja formado por dois indivíduos de genótipo Aa. A cada gravidez, qualquer uma das quatro combinações gaméticas apresentadas acima pode ser aquela que irá constituir o genótipo da criança. Sendo assim, em cada gravidez, a probabilidade de nascer uma criança AA é ¼. Esta fração pode ser convertida em porcentagem: 1 = 0, 25. Este valor decimal, 4 multiplicado por 100, fornece o valor da porcentagem procurada: 0,25 x 100 = 25%. Portanto, existe uma chance de 25% de que, como resultado de uma fecundação, nasça uma criança de genótipo AA. Quando lidamos com probabilidades, há o que os estatísticos chamam de probabilidade composta, obtida por operação matemática efetuada entre probabilidades de ocorrência de dois ou mais eventos. Nestes casos, existem duas regras a serem aplicadas, a regra do produto (também chamada regra do "e") e a regra da soma (também chamada regra do "ou"). No primeiro caso, consideramos a ocorrência simultânea de dois ou mais eventos. Por exemplo, qual seria a probabilidade de nascer uma criança com genótipo AA e do sexo masculino de um cruzamento entre dois indivíduos Aa? Para efetuar esta operação, temos que trabalhar com a multiplicação dos dados de probabilidade na forma fracionária (ou de proporções). A probabilidade de que a criança nasça com genótipo AA é ¼, como já foi demonstrado, ao passo que a probabilidade de que ela nasça do sexo masculino é ½. Logo, a probabilidade composta que estamos procurando seria obtida pela seguinte multiplicação: = = 0, 125, ou seja, há 12,5% de chance de que a criança deste casal nasça com genótipo AA e do sexo masculino. No caso da regra da soma, consideramos a probabilidade composta de ocorrência de dois eventos mutuamente exclusivos, ou seja, se um ocorrer certamente o outro não ocorrerá. Por exemplo, se, no caso do cruzamento mencionado acima, quiséssemos saber a chance de que venha a nascer uma criança de genótipo AA ou aa, teríamos que somar as probabilidades individuais de cada um desses eventos. Sabendo que a chance de nascimento do genótipo AA é ¼ e a do genótipo aa é igualmente ¼, a chance de nascer um desses genótipos ou o outro seria: + = = = 0, Logo, há uma chance de 50% de que a criança em questão nasça com genótipo AA ou aa.

23 PADRÕES DE HERANÇA MONOGÊNICA 21 1 Herança monogênica e seus tipos Uma característica cuja determinação depende da ação de apenas um gene é denominada monogênica. As sete características de ervilha selecionadas por Mendel são exemplos deste tipo de caráter. A análise da herança de fenótipos de outras espécies, tanto vegetais como animais, revela que o mecanismo de herança monogênica é universal entre os seres vivos. Estes mecanismos de herança podem ser subdivididos em tipos ou padrões distintos, reconhecíveis quando se dispõe de dados suficientes para análise genética. Os critérios para classificar estes padrões, bem como os tipos diferentes de padrões estão sumarizados na tabela a seguir: Critério Tipos de padrão Padrões combinados Categoria do cromossomo em que se encontra o gene Autossômico Ligado ao X Autossômico dominante Autossômico recessivo Relação entre os alelos Dominante Ligado ao X dominante Recessivo Ligado ao X recessivo 2 Categorias dos cromossomos em que se encontram os genes A maioria dos animais e muitas plantas apresentam dimorfismo sexual, ou seja, existem representantes masculinos e femininos. Em boa parte destes casos, o sexo é determinado por um par de cromossomos especiais, denominados cromossomos sexuais. Os autossomos, por sua vez, são os cromossomos não sexuais, e correspondem à maioria cromossômica em um genoma. Nas células somáticas humanas, por exemplo, existem 23 pares de cromossomos (46 cromossomos ao todo), dos quais 22 pares são autossômicos (44 ao todo, sem diferença na composição entre homens e mulheres) e apenas um par é sexual (2 ao todo). Os cromossomos sexuais na espécie humana são identificados pelas letras X e Y. Nas mulheres, o par sexual é composto por dois cromossomos X, ao passo que nos homens é composto por um cromossomo X e um cromossomo Y. Durante a formação dos gametas, na meiose, ocorre a segregação (separação) do par sexual, de modo que haverá apenas um representante desse par em cada gameta. No caso das mulheres, o cromossomo sexual presente nos gametas sempre será o X, ao passo que nos homens,

24 22 metade dos gametas conterá o cromossomo X e a outra metade irá conter o cromossomo Y. Por esse motivo, dizemos que as mulheres correspondem ao sexo homogamético (homo = igual) e os homens ao sexo heterogamético (hetero = diferente). Sendo assim, quem define se os descendentes serão masculinos ou femininos será o sexo heterogamético (no caso da espécie humana, serão os homens). AUTOSSOMOS E CROMOSSOMOS SEXUAIS DETERMINAÇÃO DO SEXO Cromossomos sexuais Autossomos X e Y Combinações diferentes em homens (XY) e mulheres (XX) 22 pares de cromossomos (numerados de 1 a 22) Mesma combinação em homens e mulheres Os genes que se localizam nos autossomos são ditos autossômicos, enquanto os genes presentes nos cromossomos sexuais apresentam ligação ao sexo. Destes, há aqueles genes exclusivamente ligados ao X e outros ao Y. Os fenótipos determinados pelos genes autossômicos ocorrem em homens e mulheres nas mesmas proporções. A herança considerada até agora, com o uso da análise de Mendel, se refere a genes autossômicos. Por outro lado, os genes que apresentam ligação ao sexo se manifestarão em proporções fenotípicas diferentes entre os sexos, constituindo um mecanismo de herança não previsto por Mendel. 3 Padrões de herança em genética humana As reproduções humanas, como as de organismos experimentais, apresentam padrões de herança tanto do tipo descoberto por Mendel (herança autossômica) e de ligação ao sexo. No entanto, ao contrário destes organismos, em que é possível planejar cuidadosamente cruzamentos específicos para a realização de análises genéticas, nos humanos os geneticistas devem recorrer a registros de reprodução efetuados a partir do levantamento cuidadoso do histórico familiar. Estes registros de reprodução são denominados de heredogramas ou genealogias, e se utilizam de símbolos específicos para auxiliar a análise genética das características.

25 23 Muito das análises genéticas humanas dizem respeito a distúrbios hereditários relativamente raros na população, mas não menos importantes sob o ponto de vista da saúde pública. O estudo destes distúrbios hereditários é o domínio da genética médica. SIMBOLOGIA ADOTADA NOS HEREDOGRAMAS Um membro de uma família que primeiro chamou a atenção de um geneticista é chamado de propósito ou probando. Geralmente o fenótipo do propósito é excepcional de algum modo (afetado por algum distúrbio genético). O pesquisador então traça a história do fenótipo do propósito por meio da história da família, construindo, assim, o heredograma. A partir da análise de um heredograma, é possível identificar se um distúrbio genético apresenta padrão de herança autossômico ou ligado ao sexo, dominante ou recessivo. Estudaremos, a seguir, três destes principais padrões. 3.1 Padrão de herança autossômico dominante O padrão de herança autossômico dominante também é denominado herança autossômica dominante. Neste caso, o gene relacionado ao distúrbio geralmente possui dois alelos, o dominante e o recessivo. O alelo mutante, responsável pela manifestação da anomalia, é dominante sobre o alelo que define a condição normal. Neste caso, teremos:

26 24 Genótipo AA Aa aa Fenótipo Afetado Afetado Normal Em um primeiro momento pode soar estranho o fato de um fenótipo anormal ser dominante, mas é importante lembrar que o conceito de dominância tem a ver com a relação entre os alelos de um gene, e não com o fato de um fenótipo ser mais freqüente ou menos freqüente na população. Durante a formação dos gametas, os alelos que constituem cada genótipo irão se separar, como previsto pela primeira lei de Mendel. Sendo assim, em muitos casos é possível estimar as probabilidades de manifestação dos fenótipos normal e afetado. Por exemplo, do casamento entre uma pessoa afetada heterozigota (Dd) e uma pessoa normal (dd) há uma chance de 50% de nascer um descendente afetado. Pais: Gametas: PADRÃO DE HERANÇA AUTOSSÔMICO DOMINANTE Não pula geração Ocorre em homens e mulheres na mesma proporção Um afetado tem 50% de chance de ter filhos também afetados Filhos: GAMETAS DO PAI GAMETAS DA MÃE CHANCE DE PASSAR O DISTÚRBIO PARA A PROLE Mãe afetada por anomalia dominante Pai normal Há uma chance de 50% da mãe passar o traço dominante para cada filho (independente do sexo) Pelo fato de o alelo dominante se manifestar, mesmo em heterozigose, a lógica nos diz que se um indivíduo é afetado, pelo menos um dos pais também é afetado. Afinal, o alelo dominante que determina seu fenótipo anormal proveio de um dos genitores, onde este alelo também se manifestava. Suponha um indivíduo afetado por distúrbio autossômico dominante. Independente do genótipo de seu parceiro

27 25 sexual, há, no mínimo, uma chance de 50% de cada descendente deste indivíduo ser também afetado. Assim, mesmo que ele tenha poucos filhos, a chance de que pelo menos um deles seja afetado é muito grande. E este filho afetado também terá uma chance elevada de ter um filho afetado, e assim por diante. Concluindo, em uma família que se constate a presença de uma anomalia autossômica dominante, é bastante comum se observar a repetição do fenótipo ao longo de várias gerações. Neste caso, costuma-se dizer que o fenótipo "não salta" geração. De acordo com estas considerações, podemos caracterizar o padrão de herança autossômico dominante em um heredograma da seguinte forma: O distúrbio não salta geração. Um afetado tem pelo menos um dos genitores igualmente afetado. Não há desproporção sexual no número de afetados. Casal normal, filhos normais. Existem diversos distúrbios genéticos humanos que seguem esse padrão de herança. Podemos citar como exemplo: Neurofibromatose: doença que provoca crescimento de tumores benignos ao longo de nervos. Acondroplasia: forma de nanismo provocado pela deficiência de crescimento dos ossos longos. Polidactilia: distúrbio em que os afetados apresentam mais de cinco dedos nas mãos e/ou nos pés. Embora estas doenças sigam o padrão de herança autossômico dominante típico, existem casos que fogem à regra. Por exemplo, muitos casos de nanismo acondroplásico nascem de pais normais. Isso se deve à ocorrência de mutações novas. 3.2 Padrão de herança autossômico recessivo. Na herança autossômica recessiva, a relação entre os alelos normal e mutante são diferentes daquela relatada para a herança dominante. Ou seja, o alelo mutante, que leva ao desenvolvimento de um distúrbio, é recessivo em relação ao alelo normal. Portanto, a relação genótipo-fenótipo pode ser resumida na tabela a seguir:

28 26 Genótipo BB Bb bb Fenótipo Normal Normal Afetado Diferentemente da herança autossômica dominante, ser portador de apenas um alelo mutante recessivo não é suficiente para que a doença se manifeste. A condição necessária para a manifestação da doença é a homozigose do alelo mutante. Isso nos leva a concluir que o alelo mutante, pelo fato de ser recessivo, passa despercebido ao longo de várias gerações de uma mesma família. Porém, quando duas pessoas heterozigotas se casam, cria-se a condição para que ocorra homozigose do alelo mutante, e isso determina o nascimento de uma criança com distúrbio genético recessivo. O fato de o alelo mutante ser passado ao longo de diversas gerações sem se manifestar caracteriza o que se convencionou chamar de "salto" de geração. Este salto corresponde ao fato de se passarem várias gerações sem que tenha sido relatado qualquer caso da referida doença, até o momento em que ela se manifesta em algum descendente. Um fato que chama bastante a atenção para estas doenças recessivas é que elas são mais freqüentes na prole de casamentos consangüíneos. Isso se deve à similaridade genética entre parentes, que favorece o encontro entre os mesmos alelos recessivos. Este fenômeno, em genética, é denominando homozigose por origem comum. Para compreender melhor este fenômeno, observe o heredograma a seguir: I BB Bb II BB BB Bb BB BB Bb III BB BB BB Bb Bb BB Bb IV BB bb Bb bb O heredograma mostra que nas gerações I, II e III não houve manifestação da anomalia, que apareceu apenas na geração IV, em dois indivíduos. Portanto, a anomalia "saltou" diversas gerações até se manifestar na geração IV.

29 27 Outro aspecto que merece destaque no heredograma é a origem dos alelos recessivos que provocaram o distúrbio genético nos dois indivíduos em questão. Ambos são cópias do mesmo alelo b encontrado em um dos ancestrais da geração I. Este alelo foi sendo passado adiante para os descendentes desse indivíduos, mas não havia se manifestado ainda pelo fato de ser recessivo. É interessante perceber no heredograma que todos os indivíduos que possuem o alelo b possuem algum grau de parentesco e o herdaram do mesmo ancestral da primeira geração do heredograma. Quando dois desses parentes resolvem se casar, como observado na geração III, a chance de haver encontro dos mesmos alelos recessivos deletérios que eles carregam por ancestralidade comum é elevada. A chance de se casar com alguém de fora da família que contenha exatamente a mesma mutação é pequena. Por isso dizemos que ambos os alelos b encontrados no casal consangüíneo da geração III possuem origem comum, ou seja, os indivíduos afetados da geração IV são homozigotos por origem comum. Conforme exposto até aqui, podemos caracterizar o padrão de herança autossômico recessivo da seguinte forma: O fenótipo (doença) salta gerações: afetados podem nascer de genitores normais. Geralmente o fenótipo surge na prole de casais consangüíneos. Não há desproporção entre o número de homens e de mulheres afetados. Em casais normais que já tiveram uma criança afetada por um distúrbio autossômico recessivo, é possível afirmar com certeza que ambos os genitores são heterozigotos. Nestes casos, a chance de recorrência (nova ocorrência) da mesma doença na futura prole de um mesmo casal é de 25%. Como exemplos de distúrbios humanos autossômicos recessivos, podemos citar: Albinismo: anomalia genética caracterizada pela incapacidade de fabricar melanina. Como conseqüência, os afetados possuem pelo, olhos e pêlos totalmente despigmentados. Fenilcetonúria: doença que resulta de falha genética do metabolismo do aminoácido fenilalanina. Os afetados acumulam este aminoácido no corpo, o que provoca diversos problemas, inclusive retardo mental. A fenilcetonúria é uma das poucas doenças genéticas que pode ter seus efeitos deletérios evitados: basta controlar rigorosamente a dieta alimentar da criança afetada, de modo que o consumo de fenilalanina seja restrito ao mínimo necessário. A identificação de crianças fenilcetonúricas se dá através do famoso "teste do pezinho" (triagem neonatal). Fibrose cística: anomalia que provoca o acúmulo de secreções pulmonares, favorecendo a ocorrência repetida de infecções que podem levar o paciente à morte.

30 Herança ligada ao X O cromossomo X, conforme já foi mencionado, apresenta-se em números diferentes em mulheres e homens: as mulheres têm dois cromossomos X, ao passo que os homens possuem apenas um. No caso de genes presentes neste cromossomo, obviamente as mulheres apresentarão dose dupla dos mesmos, enquanto nos homens tais genes serão encontrados em dose simples (o que os caracteriza como hemizigotos para os genes presentes no cromossomo X). Do total de doenças genéticas monogênicas descritas até hoje, algumas determinadas por genes recessivos ligados ao X são bastante conhecidas. Descreveremos a seguir o padrão de herança seguido por estas doenças Padrão de herança recessivo ligado ao X Assim como nos casos de distúrbios autossômicos estudados até aqui, um gene ligado ao X responsável pela manifestação de um distúrbio conta com dois alelos, um dominante e um recessivo. A representação destes alelos se faz da seguinte forma: X H (alelo dominante) e X h. A letra H sobrescrita à letra X representa o gene H localizado no cromossomo X. Quando o alelo mutante é recessivo, temos a seguinte relação genótipo-fenótipo: Sexo Genótipo Fenótipo X H X H Normal Feminino X H X h Normal portadora X h X h Afetada Masculino X H Y Normal X h Y Afetado Observe na tabela acima que, para uma mulher ser afetada, é necessário que ela receba um alelo X h de ambos os genitores, ao passo que um homem será afetado mesmo quando receber por herança apenas um alelo mutante. É importante lembrar que o outro cromossomo sexual presente nos homens, o cromossomo Y, não apresenta nenhum representante dos genes que estamos estudando. Quando um homem é afetado por distúrbio recessivo ligado ao X, qual dos genitores lhe passou a mutação? Só pode ter sido a mãe, pois o pai deste indivíduo certamente contribuiu com o cromossomo sexual Y. Sendo assim, podemos deduzir que os filhos do sexo masculino de uma

31 29 mulher normal portadora, ou seja, normal heterozigota (X H X h ), apresentam uma chance de 50% de herdar o alelo X h, e, portanto, de serem afetados pela anomalia determinada por aquele alelo mutante. HERANÇA LIGADA AO X Mãe normal portadora Pai normal Filha normal Filho normal Filha normal portadora Gene normal no cromossomo X Gene mutante no cromossomo X Filho afetado O heredograma abaixo representa as relações familiares e a manifestação da hemofilia em diversos descendentes da rainha Vitória, da Inglaterra. O símbolo representa uma mulher normal portadora (heterozigota). Os tópicos abaixo resumem o padrão de herança recessivo ligado ao X: Praticamente apenas homens são afetados por este tipo de distúrbio, em função do fato de ser necessário apenas um alelo mutante para que a doença se manifeste. Os homens afetados herdam o alelo mutante de mães normais portadoras.

32 Homens afetados não passam a mutação para os descendentes masculinos. Por outro lado, estes homens passam a mutação para todas as filhas, as quais serão normais portadoras. 30 Podemos citar como exemplos de distúrbios recessivos ligados ao X: Hemofilia: distúrbio de coagulação sangüínea que leva a sangramento intenso (hemorragia). Daltonismo: cegueira para cores verde e vermelho; o afetado não identifica o que é verde e o que é vermelho, de modo que estas cores assumem um tom acinzentado. Distrofia muscular Duchenne: doença resultante da degeneração muscular progressiva das células musculares, que leva o indivíduo à morte por volta dos 20 anos de idade.

33 INTERAÇÃO GÊNICA 31 1 Introdução Até o presente momento, temos nos referido apenas a interações que ocorrem entre os alelos de um mesmo gene, o que pode resultar em dominância completa ou codominância. No entanto, existem também interações que ocorrem entre alelos pertencentes a genes diferentes. Diferentes tipos destas interações podem ocorrer. Genes distintos podem agir de modo que a expressão de um deles complemente a expressão de outro, ou, em certos casos, o efeito de um gene acaba por inibir o efeito de outro gene. Em casos mais drásticos, um gene pode interferir de modo negativo no funcionamento de um ou vários sistemas orgânicos, resultando na morte do indivíduo. Veremos, a seguir, algumas destas interações. 2 Um gene, mais de uma característica A caracterização cada vez mais detalhada do funcionamento do DNA tem revelado que a amplitude de ação de um gene não se restringe a apenas uma proteína e nem tampouco a uma única característica. Por exemplo, o fato de que no genoma humano existem "apenas" cerca de genes para definir a incrível complexidade estrutural e funcional de nosso organismo nos permite ter uma idéia da múltipla ação que um gene pode exercer, uma vez que as células humanas, consideradas juntas, podem produzir de a proteínas diferentes. Antes mesmo destas recentes descobertas moleculares, os geneticistas já tinham provas de que um gene podia exercer mais de um efeito. Talvez um dos casos mais clássicos deste tipo de situação seja representado pelos alelos letais. O termo letal significa mortal e, em organismos usados em experimentos, como moscas-das-frutas e camundongos, já se conhecem diversos exemplos em que este tipo de alelo determina tanto uma característica quanto a mortalidade dos indivíduos. O alelo A Y de camundongos ilustra bem um caso de letalidade. Os camundongos selvagens normais têm uma pelagem de pigmentação escura. Uma mutação dominante para a cor de pêlo chamada yellow determina uma pelagem mais clara. Se um camundongo yellow é cruzado com um selvagem homozigoto, sempre é observada uma proporção de 1:1 de yellow para selvagem na prole, indicando que os camundongos yellow sempre são heterozigotos. Quando dois camundongos yellow são cruzados entre si, o resultado é sempre 2/3 de yellow para 1/3 de selvagem, e não ¾ de yellow para ¼ de selvagem, como era de se esperar. Isso decorre do fato de que os camundongos yellow homozigotos (A Y A Y ) morrem antes de nascer. Essa hipótese é apoiada pela remoção dos úteros das

34 32 fêmeas grávidas do cruzamento yellow x yellow, onde se observa que um quarto dos embriões estão mortos. Podemos, pois, deduzir que estão em jogo duas características determinadas pelo alelo A Y : a cor da pelagem e a viabilidade dos camundongos. Dizemos, neste caso, que o alelo A Y é pleiotrópico, uma vez que influi na manifestação de duas características diferentes. Quando em dose única, permite a sobrevivência dos indivíduos e determina pelagem clara; porém, quando em dose dupla, interfere no funcionamento do organismo a ponto de determinar a morte. Convém lembrar que nem sempre um locus pleiotrópico é letal. A pleiotropia ocorre quando uma única proteína afeta partes diferentes do corpo ou participa de mais de uma reação bioquímica, e isso não implica necessariamente em morte. Efeitos pleiotrópicos são fundamentais, pois são causas de correlações entre caracteres. Há grande interesse no estudo e conhecimento da ação destes genes, muitas vezes utilizados como marcadores ou auxiliares na seleção e, ou, identificação de caracteres mais complexos ou de difícil medição. Uma ilustração é o gene que controla a cor do hipocótilo e das flores de soja. Como a coloração do hipocótilo manifesta-se em estádio de plântula, torna-se de grande interesse em trabalhos de hibridação. Assim, tem-se: Genótipo Cor da Flor Cor do Hipocótilo AA Roxa Roxo Aa Roxa Roxo aa Branca Verde Fonte: 3 Dois ou mais genes, um único fenótipo A segunda lei de Mendel baseia suas conclusões a partir das possíveis combinações de dois ou mais genes diferentes na determinação de dois ou mais fenótipos diferentes. Em um cruzamento clássico mendeliano em que se considera a herança simultânea de dois genes, a proporção esperada em F 2 é de 9:3:3:1. No entanto, quando se considera que dois ou mais genes atuam em conjunto de modo a definir uma única característica, nem sempre esta proporção prevista pela segunda lei é mantida. Neste caso, dizemos que dois genes que interagem produzem proporções diíbridas modificadas. De qualquer modo, as interações entre genes diferentes são marcadas pelo envolvimento de seus produtos em vias biológicas que definem a propriedade biológica final. Os casos que se tem melhor conhecimento são aqueles que envolvem a produção de pigmentos.

35 3.1 Genes que interagem em vias biológicas diferentes 33 Um maneira pela qual dois genes diferentes podem contribuir para a definição do fenótipo é aquela em que cada um deles atua de modo independente em etapas que ocorrem simultaneamente. Um exemplo bastante ilustrativo é o da herança de cor de pele de uma espécie de cobra conhecida como cobra do milharal. A cor natural é um padrão de camuflagem preto e laranja. Este fenótipo é produzido por dois pigmentos separados, ambos sob controle genético. Um dos pigmentos é o laranja, e sua fabricação é resultante da expressão do alelo o +, que é dominante sobre o alelo o que determina ausência de pigmento laranja. Um outro gene determina o pigmento preto, com os alelos b + (dominante; presença do pigmento preto) e b (recessivo; ausência de pigmento preto). Estes dois genes encontram-se em cromossomos diferentes. Sendo assim, a definição dos fenótipos destas cobras pode ser resumida na tabela a seguir: Genótipos o + _/ b + _ oo/b + _ o + _/bb oo/bb Fenótipos Camuflado (laranja e preto) Preto Laranja Albino Como existem dois genes neste sistema, obtemos um padrão de herança tipicamente diíbrido, e os quatro fenótipos possíveis formam uma proporção 9:3:3:1 na F 2, como ilustrado no esquema a seguir: Fêmea o + o + /bb (laranja) x Macho oo/b + b + (preto) F 1 o + o/b + b (camuflados) Fêmea o + o/b + b (camuflada) x Macho o+o/b+b (camuflado) F 2 9 o + _/b + _ (camuflados) 3 o+_/bb (laranja) 3 oo/b + _ (pretos) 1 oo/bb (albinos)

36 34 Os genes o e b participam de duas vias bioquímicas paralelas, como esquematizado a seguir: precursores precursores b + o + pigmento preto pigmento laranja camuflado 3.2 Interação de genes na mesma via biológica Em geral, os genes que interagem em duas vias diferentes produzem uma F 2 com quatro fenótipos correspondentes às quatro classes genotípicas possíveis, como neste exemplo da cobra. No entanto, quando a interação entre os genes envolve apenas uma única via metabólica, surgem proporções em F 2 diferentes do tradicional 9:3:3:1. Quando a interação biológica ocorre em uma mesma via metabólica ou de desenvolvimento, ela é denominada epistasia. Costuma-se dizer que um gene é epistático quando, de algum modo, ele inibe a manifestação de outro gene que depende do primeiro para se expressar. Mais precisamente, a epistasia é deduzida quando um alelo de um gene mascara a expressão de alelos de outro gene e expressa seu próprio fenótipo Epistasia recessiva Na planta Collinsia parviflora, existem flores cujas cores podem ser azul, magenta ou branca. A via bioquímica de produção de pigmentos já foi identificada, e é a seguinte: gene w + gene m + precursor incolor magenta azul Como se pode observar, há dois genes envolvidos na formação dos pigmentos que serão depositados nas flores destas plantas: o gene w (cujos alelos são o selvagem dominante w + e o mutante recessivo w) e o gene m (cujos alelos são o selvagem dominante m + e o mutante recessivo m). Os genes w e m localizam-se em cromossomos diferentes.

37 35 A conversão de substâncias esquematizada acima depende da ação dos produtos enzimáticos dos genes w e m. Por exemplo, a enzima produzida pelo alelo dominante m + converte o pigmento magenta em azul. Por outro lado, o alelo mutante recessivo m não produz esta enzima, de modo que o genótipo recessivo mm não promove nenhuma alteração da cor magenta. O pigmento magenta, por sua vez, apenas será formado se houver ação de uma enzima produzida pelo alelo w + sobre uma substância precursora incolor. O alelo recessivo w não produz esta enzima e, portanto, o genótipo recessivo ww não altera o precursor incolor. Neste caso, podemos dizer que o alelo recessivo mutante w, quando se manifesta, impede a formação de qualquer uma das cores, seja magenta ou azul. Em outras palavras, o alelo w é epistático sobre os alelos m e m +, pois impede que os fenótipos associados a estes alelos sejam manifestados. Como o alelo w é recessivo em relação ao w +, dizemos que este é um caso de epistasia recessiva. O cruzamento realizado entre dois parentais puros quanto às cores branco e magenta origina uma prole totalmente azul (F 1 ). A autofecundação destes indivíduos F 1 resultaria em uma F 2 composta por 4 fenótipos diferentes na proporção diíbrida 9:3:3:1 se não existisse a epistasia entre os genes em questão. Neste caso, a proporção 9:3:3:1 é modificada para 9:3:4, havendo, pois, a redução de uma classe fenotípica. Branca ww/m + m + x Magenta w + w + /mm F 1 Azul w + w/m + m w + w/m + m x w + w/m + m F 2 9 w + _/m + _ (azul) 9 3 w + _/mm (magenta) 3 3 ww/m + _ (branco) 1 ww/mm (branco) Epistasia dominante A cor das pétalas das flores da planta dedaleira (Digitalis purpurea) é uma característica que também está sujeita ao fenômeno da epistasia. Nesta planta, o gene D determina se a quantidade de antocianina produzida é muita (alelo dominante D) ou pouca (alelo recessivo d). Por outro lado, o

38 36 gene W afeta a deposição do pigmento antocianina: o alelo W impede a deposição do pigmento em toda a superfície da pétala, ao passo que o alelo w permite esta deposição. Sendo assim, o alelo W impede que as pétalas sejam totalmente coloridas, portanto este alelo é epistático sobre os alelos D e d. Pelo fato de W ser dominante em relação ao w, este é um caso de epistasia dominante. Púrpura escuro DD/ww x Branco com pintas dd/ww Branco com pintas Dd/Ww F 1 Dd/Ww x Dd/Ww 9 D_/W_ (Branco com pintas) 12 F 3 dd/w_ (Branco com pintas) 2 3 D_/ww (Púrpura escuro) 3 1 dd/ww (Púrpura claro) 1 Conforme podemos notar no esquema acima, a partir do cruzamento entre indivíduos puros quanto às cores púrpura escuro e branco com pintas obtém-se uma prole composta apenas por indivíduos brancos com pintas (F 1 ). A F 2 é originada a partir da autofecundação de indivíduos F 1, e seria composta de 4 classes fenotípicas distribuídas segundo a proporção 9:3:3:1 caso não existisse a epistasia dominante exercida pelo alelo W sobre os alelos D e d. Assim, em função desta inibição, a proporção 9:3:3:1 modifica-se para 12:3:1, havendo redução de uma classe fenotípica.

39 LINKAGE E MAPEAMENTO CROMOSSÔMICO 37 1 Genes ligados A segunda lei de Mendel afirma que dois ou mais genes segregam-se de modo independente na formação dos gametas. Esta segregação independente explicaria a proporção 9:3:3:1 observada em F 2. Conforme já discutido anteriormente, a explicação para este fenômeno seria o fato de que dois genes localizam-se em cromossomos diferentes, os quais se separam de seus respectivos homólogos independentemente. No entanto, esta situação não se aplica para uma boa parcela dos genes conhecidos, ou seja, em um mesmo cromossomo são encontrados inúmeros genes diferentes. Neste caso, não há como haver segregação independente, pois os genes estão presentes em uma mesma estrutura física. Situação 1 Situação 2 4 combinações diferentes nos gametas 2 combinações diferentes nos gametas Observe as duas situações acima. Na situação 1, os genes A e B localizam-se em pares de homólogos diferentes, portanto, segregam-se independentemente um do outro durante a meiose, o que resulta em quatro possibilidades de combinações alélicas nos gametas formados. Por outro lado, na situação 2 os genes A e B estão localizados no mesmo par de cromossomos homólogos. A segregação entre os alelos A e a durante a meiose está vinculada à separação dos alelos B e b. Assim, na situação 2, a segregação ocorrida no locus A ocorre em conjunto com a segregação ocorrida no locus B. Neste caso, apenas dois tipos diferentes de gametas poderiam ser formados. Em genética, quando dois ou mais genes estão presentes em um mesmo cromossomo, como na situação 2 descrita acima, diz-se que tais genes estão em linkage ou são genes ligados. Quando se estuda genes ligados, uma das principais informações de interesse é a distância entre os loci e, para isso, é necessário estabelecer a freqüência de recombinação entre os genes.

40 2 Crossing-over e freqüência de recombinação 38 Durante a meiose I, mais especificamente na prófase I, ocorre o fenômeno da permutação entre os cromossomos homólogos, também conhecido como crossing-over. Este fenômeno pode ser caracterizado como a troca de pedaços efetuada entre estes pares de cromossomos. Pontos de quebra e troca de pedaços Conforme ilustrado na figura acima, após a ocorrência do crossing-over, cada cromossomo contém um segmento de seu homólogo. Ao término da meiose, os cromossomos presentes nos gametas poderão ser recombinantes ou não. Os cromossomos recombinantes são aqueles em que o fenômeno do crossing-over produziu novas combinações de material genético. Embora nas representações esquemáticas os cromossomos recombinantes sejam identificados por cores diferentes, esta forma de identificação visual só foi possível com a implementação de métodos citogenéticos recentes. Mas, e antes do desenvolvimento destas técnicas, como se podia provar a ocorrência do crossing-over?

41 2.1 Recombinação em Neurospora crassa 39 Um exemplo didático dos efeitos da recombinação é a formação de esporos no fungo Neurospora crassa, também conhecido como mofo vermelho do pão. Nestes organismos, ocorre meiose seguida de mitose na formação dos esporos sexuais. Estes esporos, também denominados ascósporos, ficam armazenados em estruturas tubulares conhecidas como ascos, que caracterizam os fungos ascomicetos. Logo após a meiose, formam-se quatro esporos haplóides no interior de um ascósporo, e ao conjunto destes quatro ascósporos dá-se o nome de tétrades. Cada um destes ascósporos assim formados passa por uma mitose e origina duas novas células. Desta forma, após esta mitose final cada asco contém em seu interior oito esporos, motivo pelo qual este conjunto é conhecido como óctade. A cor dos esporos, que pode ser clara ou escura, é definida por um gene específico representado por dois alelos. Sendo assim, a cor de cada esporo depende do alelo presente no homólogo recebido após a meiose. Uma característica interessante da formação de esporos nestes fungos é que a distribuição dos mesmos ao longo do asco obedece um padrão único na natureza: eles encontram-se enfileirados, ou seja, é possível determinar exatamente qual dupla de esporos tem origem comum após a meiose II. Convém lembrar que, das quatro células originadas ao final da meiose II, duas são provenientes de uma das células intermediárias do processo de meiose e as outras duas provêm da outra célula intermediária. Essa disposição dos esporos ocorre devido ao formato tubular dos ascos, que impede que os esporos se "embaralhem" e faz com se organizem em tétrades lineares.