Introdução à Genética

PARTE
I
Cromossomos humanos em
metáfase, cada um composto
de duas cromátides-irmãs
unidas por um centrômero
comum. A metáfase é a
fase da divisão celular em
que os membros de cada
par de cromátides estão em
vias de se separar e de ser
distribuídos entre as duas
novas células.
1
Introdução
à Genética
CONCEITOS
■
A genética da transmissão é o processo geral em que as características controladas por fatores (genes) são transmitidas, por meio dos
gametas, de geração a geração. Seus princípios fundamentais foram
formulados primeiramente por Gregor Mendel em meados do século XIX. Trabalhos posteriores, realizados por outros pesquisadores,
mostraram que os genes estão nos cromossomos e que as linhagens
mutantes podem ser usadas para mapeá-los cromossomicamente.
■
O reconhecimento de que o DNA codifica a informação genética, a
descoberta da estrutura do DNA e a elucidação do mecanismo de
expressão gênica constituem o fundamento da genética molecular.
■
A tecnologia do DNA recombinante, a qual possibilita aos cientistas o preparo de grandes quantidades de sequências específicas de
DNA, revolucionou a genética, lançando a base para novos campos
– e para esforços como o do Projeto Genoma Humano – que combinam a genética com a tecnologia da informação.
■
A biotecnologia inclui o uso de organismos geneticamente modificados e seus produtos em uma ampla variedade de atividades que
envolvem a agricultura, a medicina e a indústria.
■
Os organismos-modelo, empregados nas pesquisas genéticas desde
o início do século XX, são atualmente usados em associação à tecnologia do DNA recombinante e à genômica para estudar as doenças humanas.
■
A tecnologia genética está se desenvolvendo mais rapidamente do
que as políticas, as leis e as convenções que regulam o seu uso.
2
CAPÍTULO 1
E
INTRODUÇÃO À GENÉTICA
m dezembro de 1998, após meses de veemente debate, o Parlamento Islandês aprovou uma lei que concedia à deCODE Genetics, uma empresa de biotecnologia com sede na Islândia, uma licença para criar
e administrar um banco de dados com informações
detalhadas obtidas dos registros médicos de todos os 270.000
residentes naquele país. Nesse banco de dados do Setor de Saúde Islandês (ou HSD), os registros foram codificados de modo
a garantir seu anonimato. A nova lei também permitia que a
deCODE Genetics cruzasse os dados de informações médicas
do HSD com um amplo banco de dados genealógico dos Arquivos Nacionais. Além disso, a referida empresa estaria apta a correlacionar as informações desses dois bancos de dados com os
resultados dos perfis de ácido desoxirribonucleico (DNA) coletados de doadores islandeses. Essa combinação de informações
médicas, genealógicas e genéticas seria um recurso poderoso,
disponível exclusivamente à deCODE Genetics, para negociar
com os pesquisadores e outras empresas durante um período de
12 anos, a começar no ano 2000.
Esse não é um roteiro de ficção científica de um filme como
Gattaca, mas um exemplo real da interação cada vez mais complexa da genética com a sociedade no início do século XXI. O
desenvolvimento e o uso desses bancos de dados na Islândia geraram projetos semelhantes em outros países também. O mais
amplo é o empenho do “UK Biobank”, lançado na Grã-Bretanha
em 2003, no qual um vasto banco de dados com informações genéticas de 500.000 britânicos será compilado a partir de um grupo inicial de 1,2 milhão de habitantes. Esse banco de dados será
usado para pesquisar genes de suscetibilidade que controlam as
características complexas. Desde então, já foram anunciados outros projetos na Estônia, Letônia, Suécia, Singapura e no Reino
de Tonga, enquanto nos Estados Unidos programas em menor
escala, envolvendo dezenas de milhares de indivíduos, encontram-se em andamento na Clínica Marshfield, em Marshfield,
Wisconsin; na Northwestern University, em Chicago, Illinois, e
na Howard University, em Washington, D. C.
A deCODE Genetics selecionou a Islândia para seu projeto
sem precedente porque seus habitantes têm um nível de uniformidade genética raramente observado ou acessível à investigação científica. Esse alto grau de relacionamento genético deriva
da fundação daquele país, há aproximadamente 1.000 anos, por
uma pequena população oriunda principalmente de localidades
escandinavas e célticas. As reduções periódicas subsequentes da
população, por doenças e desastres naturais, diminuíram posteriormente sua diversidade genética, e, até as últimas décadas,
poucos imigrantes chegavam para trazer novos genes à população. Além disso, uma vez que o sistema de saúde da Islândia
tem suporte estatal, os registros médicos de todos os habitantes
remontam até o início do século XX. As informações genealógicas estão disponíveis nos Arquivos Nacionais e nos registros eclesiásticos para quase todos os residentes e para mais de 500.000
dos 750.000 indivíduos estimados que tenham vivido sempre na
Islândia. Por todas essas razões, os dados islandeses constituem
uma enorme vantagem para os geneticistas na pesquisa dos genes que controlam as doenças complexas. Esse projeto já tem
muitos resultados bem-sucedidos a seu crédito. Os cientistas da
deCODE Genetics isolaram 15 genes com 12 doenças comuns,
incluindo a asma, a doença cardíaca, o acidente vascular cerebral
e a osteoporose.
No lado inverso desses sucessos, estão questões de privacidade, consentimento e comercialização – problemas centrais de
muitas controvérsias surgidas das aplicações da tecnologia genética. Cientistas e não cientistas estão disputando, de modo semelhante, o destino e o controle das informações genéticas, bem
como o papel da lei, do indivíduo e da sociedade nas decisões a
respeito de como e quando a tecnologia genética deve ser usada.
Por exemplo, como será usado o conhecimento da sequência nucleotídica completa do genoma humano? A revelação das informações genéticas sobre os indivíduos causará discriminação em
empregos ou seguradoras? Tecnologias genéticas como o diagnóstico pré-natal ou a terapia gênica devem ser disponibilizadas
para todos, independentemente de sua capacidade de pagamento? Mais do que em qualquer outra época na história da ciência,
a avaliação das questões éticas que envolvem uma tecnologia
emergente é tão importante quanto a obtenção de informação a
partir dessa tecnologia.
Este capítulo introdutório fornece uma visão geral da genética, em que examinamos alguns pontos importantes de sua
história e fornecemos descrições preliminares de seus princípios
centrais e dos avanços recentes. Todos os tópicos discutidos neste capítulo serão analisados com muito mais detalhes em outras
partes do livro. Os últimos capítulos também voltarão a abordar as controvérsias já aludidas e discutirão outros inúmeros
problemas que são fontes atuais de debate. Jamais existiu um
período mais estimulante para participar da ciência das características hereditárias, mas nunca a necessidade de cautela e de
consciência das consequências sociais foi mais evidente. Este
texto irá habilitá-lo a alcançar uma compreensão profunda da
genética moderna e de seus princípios fundamentais. Ao longo do caminho, deleite-se com seus estudos, mas se encarregue
de suas responsabilidades, como um geneticista iniciante, com
muita seriedade.
1.1
A genética progrediu de Mendel ao
DNA em menos de um século
Uma vez que os processos genéticos são fundamentais para a
própria vida, a ciência da genética unifica a biologia e funciona
como seu centro. Desse modo, não é surpreendente que a genética tenha uma longa e rica história. Seu ponto de partida foi o
jardim de um mosteiro da Europa Central na década de 1860.
O trabalho de Mendel sobre a
transmissão de características
Nesse jardim (Figura 1-1), Gregor Mendel, um monge agostiniano, realizou uma série de experimentos com ervilhas-de-jardim
durante uma década. O trabalho de Mendel mostrou que as características dos seres vivos são transmitidas dos genitores para
a prole de maneira previsível. Esse monge concluiu que as características das ervilheiras, tais como altura da planta e cor da
flor, são controladas por unidades descontínuas de herança, que
agora denominamos genes. Posteriormente, concluiu que cada
característica da planta é controlada por um par de genes e que
os membros de um par de genes se separam durante a formação de gametas (a formação dos óvulos e dos espermatozoides).
1.1
A GENÉTICA PROGREDIU DE MENDEL AO DNA EM MENOS DE UM SÉCULO
3
FIGURA 1-2
Imagem colorizada dos cromossomos humanos
que se duplicaram durante a preparação para a divisão celular,
quando são visualizados ao microscópio eletrônico de varredura.
FIGURA 1-1
O jardim do mosteiro em que Gregor Mendel realizou seus experimentos com ervilhas-de-jardim. Em 1866, Mendel
formulou os principais postulados da genética da transmissão.
Seu trabalho foi publicado em 1866, mas continuou desconhecido até ser parcialmente duplicado e citado em artigos de Carl
Correns e outros, em torno de 1900. Confirmados por outros, os
resultados de Mendel tornaram-se reconhecidos como a explicação da transmissão de características nas ervilhas-de-jardim e em
todos os demais organismos superiores. Seu trabalho constitui a
fundação da genética, a qual é definida como o ramo da biologia
envolvido no estudo da hereditariedade e da variação. A história
de Gregor Mendel e do início da genética é contada em um livro
cativante, The Monk in the Garden: The Lost and Found Genius
of Gregor Mendel, the Father of Genetics (O monge no jardim:
o gênio perdido e reencontrado de Gregório Mendel, o pai da
genética), de Robin M. Henig. A genética mendeliana será discutida nos Capítulos 3 e 4.
os cromossomos existem aos pares, chamados cromossomos
homólogos. Os membros de um par são idênticos em tamanho
e localização do centrômero, uma estrutura à qual se ligam as
fibras do fuso durante a divisão celular.
Nas últimas décadas do século XIX, os pesquisadores também descreveram o comportamento dos cromossomos durante
duas formas de divisão celular, a mitose e a meiose. Na mitose (Figura 1-4), os cromossomos são copiados e distribuídos,
de modo que cada célula-filha receba um conjunto diploide de
cromossomos. A meiose é associada à formação de gametas. As
células produzidas por meiose recebem somente um membro de
cada par cromossômico, e, nesse caso, o número de cromossomos resultante é denominado número haploide (n). Essa redução no número de cromossomos é essencial se a prole que surge
da união de dois gametas parentais deve manter, ao longo das
gerações, um número constante de cromossomos característico
de seus genitores e de outros membros de sua espécie.
A teoria cromossômica da herança:
unindo Mendel e a meiose
Mendel realizou seus experimentos previamente ao conhecimento da estrutura e do papel dos cromossomos. Cerca de 20
anos depois de seu trabalho ser publicado, os avanços em microscopia possibilitaram aos pesquisadores a identificação dos
cromossomos (Figura 1-2) e o estabelecimento de que, na maioria dos eucariontes, os membros de cada espécie têm um número
de cromossomos característico, denominado número diploide
(2n), na maioria de suas células. Por exemplo, os humanos têm
um número diploide de 46 (Figura 1-3). Nas células diploides,
FIGURA 1-3
Imagem colorizada do conjunto cromossômico
humano masculino. Nessa disposição, o conjunto é denominado cariótipo.
4
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO À GENÉTICA
I
scute bristles, sc
white eyes, w
ruby eyes, rb
crossveinless
wings, cv
singed bristles, sn
lozenge eyes, lz
vermilion eyes, v
sable body, s
FIGURA 1-4
Fase da mitose em que os cromossomos (corados
em azul) se separam.
scalloped
wings, sd
Bar eyes, B
carnation eyes, car
little fly, lf
No início do século XX, Walter Sutton e Theodore Boveri notaram, independentemente, que os genes, de acordo com a
hipótese formulada por Mendel, e os cromossomos, como eram
observados ao microscópio, têm várias propriedades em comum
e que o comportamento dos cromossomos durante a meiose é
idêntico ao comportamento presumido dos genes durante a
formação de gametas. Por exemplo, os genes e os cromossomos
existem aos pares; além disso, os membros de um par gênico e
os membros de um par cromossômico se separam um do outro durante a formação de gametas. Com base nesse paralelismo,
Sutton e Boveri propuseram, individualmente, que os genes estão contidos nos cromossomos (Figura 1-5). Essa proposição é a
base da teoria cromossômica da hereditariedade, a qual afirma
que as características hereditárias são controladas por genes localizados nos cromossomos, esses são fielmente transmitidos por
meio dos gametas, mantendo a continuidade genética de geração
a geração.
Os geneticistas encontraram muitos exemplos diferentes
de características hereditárias, entre 1910 e em torno de 1940,
possibilitando-lhes testar essa teoria repetidamente. Às vezes, os
padrões de herança diferiam dos exemplos simples descritos por
Mendel, mas a teoria cromossômica da herança sempre podia ser
aplicada. E continua a explicar como as características são transmitidas de geração a geração em uma variedade de organismos,
inclusive os humanos.
FIGURA 1-5
Representação esquemática do cromossomo I (o
cromossomo X, um dos cromossomos que determinam o sexo) de
D. melanogaster, mostrando a localização de vários genes.* Os cromossomos podem conter centenas de genes.
Variação genética
Aproximadamente na mesma época em que a teoria cromossômica da herança foi proposta, os cientistas começaram a estudar a herança de características da mosca-das-frutas, Drosophila melanogaster. Uma mosca de olhos brancos (Figura 1-6) foi
descoberta em um frasco que continha moscas normais (do tipo
selvagem) de olhos vermelhos. Essa variação era produzida por
uma mutação em um dos genes que controla a cor de olhos. As
mutações são definidas como qualquer modificação hereditária
e constituem a fonte de toda a variação genética.
FIGURA 1-6
A cor de olhos vermelha normal de D. melanogaster
(inferior) e a cor e de olhos branca mutante (superior).
* N. de T. Tradução das denominações dos genes: scute bristles, cerdas em escudo; white eyes, olhos brancos; ruby eyes, olhos vermelho-rubi; crossveinless wings,
asas sem nervuras transversais; singed bristles, cerdas curtas; lozenge eyes, olhos em
losango; vermilion eyes, olhos vermelho-vivo; sable body, corpo preto; scalloped
wings, asas recortadas; Bar eyes, olhos em barra; carnation eyes, olhos vermelhos;
little fly, mosca pequena.
1.2
A DESCOBERTA DA HÉLICE DUPLA INICIOU A ERA DA GENÉTICA MOLECULAR
O gene da cor de olhos variante descoberto em Drosophila é
um alelo do gene que controla a cor de olhos. Os alelos são definidos como formas alternativas de um gene. Os diferentes alelos
podem produzir dissimilaridades nos aspectos observáveis, ou
fenótipo, de um organismo. O conjunto de alelos para uma dada
característica, carregado por um organismo, é chamado genótipo. Usando genes mutantes como marcadores, os geneticistas
foram capazes de mapear a localização dos genes nos cromossomos.
A pesquisa sobre a natureza química dos
genes: DNA ou proteína?
O trabalho sobre a Drosophila de olhos brancos mostrou que
a característica mutante podia ser rastreada até um único cromossomo, confirmando a ideia de que os genes estão localizados nos cromossomos. Uma vez estabelecida essa relação, os
investigadores voltaram sua atenção para identificar qual componente químico dos cromossomos carregava a informação genética. Por volta de 1920, os cientistas estavam cientes de que as
proteínas e o DNA eram os principais componentes químicos
dos cromossomos. As proteínas são o componente mais abundante nas células. Existe uma grande quantidade de proteínas
diferentes, e, devido à sua distribuição universal no núcleo e no
citoplasma, muitos investigadores pensavam que as proteínas
seriam apresentadas como sendo as portadoras da informação
genética.
Em 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty,
três pesquisadores do Instituto Rockefeller, em Nova York, publicaram os experimentos que mostraram que o DNA era o portador da informação genética em bactérias. Essa evidência, embora
bem clara, não conseguiu convencer muitos cientistas influentes.
A evidência adicional do papel do DNA como portador da informação genética veio de outros pesquisadores que trabalhavam
com vírus que infectam e matam células da bactéria Escherichia
coli (Figura 1-7).Os vírus que atacam as bactérias são chamados
bacteriófagos, ou fagos, para abreviar, e, como todos os vírus,
consistem em uma capa proteica que circunda um núcleo de
DNA. Os experimentos mostraram que, durante a infecção, a
capa proteica do vírus permanece fora da célula bacteriana, ao
passo que o DNA viral entra na célula e dirige a síntese e a mon-
5
tagem de mais fagos. Essa evidência de que o DNA contém a informação genética, juntamente com outras pesquisas realizadas
durante os anos seguintes, forneceu uma prova consistente de
que o DNA, não a proteína, é o material genético, estabelecendo
a fase de trabalho para definir a estrutura do DNA.
1.2
A descoberta da hélice dupla iniciou
a Era da Genética Molecular
Uma vez aceito que o DNA é o portador da informação genética,
os esforços concentraram-se em decifrar a estrutura da molécula
de DNA e os mecanismos pelos quais a informação nele armazenada é expressa para produzir uma característica observável,
denominada fenótipo. Nos anos subsequentes à consecução desses objetivos, os pesquisadores aprenderam a isolar e fazer cópias
de regiões específicas de moléculas de DNA, abrindo o caminho
para a era da tecnologia do DNA recombinante.
As estruturas do DNA e do RNA
O DNA é uma longa macromolécula, semelhante a uma escada que se espiraliza para formar uma hélice dupla (Figura 1-8).
Cada fita da hélice é um polímero linear composto de subunidades chamadas nucleotídeos. No DNA, há quatro nucleotídeos
diferentes, e cada nucleotídeo desses contém uma das quatro
bases nitrogenadas, abreviadas por A (adenina), G (guanina), T
(timina) e C (citosina). Essas quatro bases, em várias combinações de sequências, especificam, em última análise, as sequências
de aminoácidos das proteínas. Uma das grandes descobertas do
século XX foi feita em 1953, por James Watson e Francis Crick,
os quais estabeleceram que as duas fitas de DNA são complementos exatos uma da outra, de modo que, na hélice dupla, os
degraus da escada são sempre constituídos pelos pares de bases
A “ T e G ‚ C. Juntamente com Maurice Wilkins, Watson e
Crick receberam o Prêmio Nobel de 1962 por seu trabalho sobre
a estrutura do DNA. Um relato em primeira mão da corrida para
descobrir a estrutura do DNA é efetuado no livro The Double
Helix (A hélice dupla), de James Watson. A estrutura do DNA
será discutida no Capítulo 10.
Como veremos em capítulos posteriores, a relação de complementaridade entre adenina e timina e entre guanina e citosina é essencial para a função gênica, servindo como a base tanto
para a replicação do DNA (Capítulo 11) quanto para a expressão
gênica (Capítulos 14 e 15). Durante ambos os processos, as fitas
de DNA servem como moldes para a síntese de moléculas complementares. Na Figura 1-8, são mostradas duas representações
da estrutura e dos componentes do DNA.
O RNA, outro ácido nucleico, é quimicamente similar ao
DNA, mas contém um açúcar diferente (ribose em lugar de desoxirribose) e a base nitrogenada uracila em lugar de timina nos
seus nucleotídeos. Além disso, ao contrário da estrutura em hélice dupla do DNA, em geral o RNA é de fita única. Note-se que
o RNA pode formar estruturas complementares com uma fita
de DNA.
Expressão gênica: do DNA ao fenótipo
FIGURA 1-7
Fotomicrografia eletrônica que mostra um fago T
infectando uma célula da bactéria E. coli.
Como observado anteriormente, a complementaridade de nucleotídeos é a base para a expressão gênica, a cadeia de eventos
que leva um gene a produzir um fenótipo. Esse processo começa
no núcleo com a transcrição, na qual a sequência nucleotídi-
6
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO À GENÉTICA
P
A
T
C
G
G
C
Açúcar
P (desoxirribose)
P
Nucleotídeo
DNA
Fosfato
mRNA
Transcrição
P
P
P
T
A
P
Tradução
P
Par de bases
complementares
(timina-adenina)
FIGURA 1-8
Esquema da estrutura do DNA, ilustrando a disposição da hélice dupla (à esquerda) e os componentes químicos
que compõem cada fita (à direita).
Aminoácido
ca em uma fita de DNA é usada para construir uma sequência
de RNA complementar (parte superior da Figura 1-9). Uma
vez produzida, a molécula de RNA se move para o citoplasma.
Na síntese proteica, esse RNA – denominado RNA mensageiro,
ou mRNA, abreviadamente – se liga a um ribossomo. A síntese
de proteínas sob a orientação do mRNA é denominada tradução (parte inferior da Figura 1-9). As proteínas, produto final
de muitos genes, são polímeros compostos de monômeros de
aminoácidos. Existem 20 aminoácidos diferentes encontrados,
comumente, nas proteínas.
Como a informação contida no mRNA pode orientar o
acréscimo de aminoácidos específicos nas cadeias proteicas à medida que são sintetizadas? A informação codificada no mRNA e
denominada código genético consiste em séries lineares de trincas de nucleotídeos. Cada trinca, chamada códon, é complementar à informação armazenada no DNA e especifica a inserção de
um aminoácido específico em uma proteína. A junção proteica
é realizada com o auxílio de moléculas adaptadoras, chamadas
RNA transportador (tRNA). Dentro do ribossomo, os tRNAs
reconhecem a informação codificada nos códons do mRNA e
transportam os aminoácidos apropriados para a construção da
proteína durante a tradução.
Como a análise anterior mostra, o DNA faz o RNA, o qual,
na maior parte das vezes, faz a proteína. Essa sequência de eventos, conhecida como o dogma central da genética, ocorre com
grande especificidade. Usando um alfabeto de somente quatro
letras (A, T, C e G), os genes dirigem a síntese de proteínas com
alto grau de especificidade, as quais funcionam, em conjunto,
como a base de todas as funções biológicas.
Proteínas e função biológica
Como já mencionamos, as proteínas são os produtos finais da
expressão gênica. Essas moléculas são responsáveis pela atribuição das propriedades dos sistemas vivos. A diversidade das
proteínas e das funções biológicas que elas podem desempenhar
– a diversidade da própria vida – origina-se do fato de que as
proteínas são constituídas de combinações de 20 aminoácidos
diferentes. Considerando que uma cadeia proteica que contenha
100 aminoácidos pode ter em cada posição qualquer um dos 20
aminoácidos, o número possível de proteínas diferentes com 100
aminoácidos, cada uma com uma sequência exclusiva, é igual,
portanto, a 20100.
tRNA
Ribossomo
Proteína
FIGURA 1-9
A expressão gênica consiste na transcrição do
DNA para o mRNA (superior) e na tradução (ao centro) do mRNA
(com o auxílio de um ribossomo) em uma proteína (inferior).
10
12
Uma vez que 20 ultrapassa 5 ⫻ 10 , ou 5 trilhões, imagine
como é grande o número
20
100
O número imenso de sequências de aminoácidos possíveis,
nas proteínas, conduz à enorme variação em suas conformações
tridimensionais possíveis. Obviamente, a evolução se apoderou
de uma classe de moléculas com potencial para uma diversidade
estrutural imensa, a qual funciona como o sustentáculo dos sistemas biológicos.
A maior categoria de proteínas é a das enzimas (Figura
1-10). Essas moléculas funcionam como catalisadores biológicos, estimulando essencialmente as reações bioquímicas, para
que ocorram nas taxas necessárias à sustentação da vida. Reduzindo a energia de ativação nas reações, as enzimas capacitam
o metabolismo celular a prosseguir em temperaturas corporais,
quando, de outro modo, essas reações exigiriam intenso calor ou
pressão para ocorrerem.
Inúmeras proteínas, diferentes das enzimas, são componentes essenciais das células e dos organismos. Essas proteínas
incluem: a hemoglobina, o pigmento que se liga ao oxigênio e o
transporta nos eritrócitos (ou hemácias); a insulina, o hormônio pancreático; o colágeno, a molécula de tecido conjuntivo; a
queratina, a molécula estrutural do cabelo; as histonas, proteínas
integrantes da estrutura cromossômica em eucariontes (isto é,
os organismos cujas células têm núcleo); a actina e a miosina,
1.2
A DESCOBERTA DA HÉLICE DUPLA INICIOU A ERA DA GENÉTICA MOLECULAR
FIGURA 1-10
Conformação tridimensional de uma proteína. A
proteína aqui mostrada é uma enzima.
as proteínas dos músculos contráteis e as imunoglobulinas, as
moléculas de anticorpos do sistema imune. A forma e o comportamento químico de uma proteína são determinados por
sua sequência linear de aminoácidos, a qual é determinada pela
informação armazenada no DNA de um gene que é transferida
para o RNA, ácido nucleico que, então, orienta a síntese dessa
proteína. Repetindo, o DNA produz o RNA, o qual, então, produz a proteína.
Ligando o genótipo ao fenótipo: a doença
das células falciformes
Uma vez construída a proteína, seu comportamento bioquímico
ou estrutural em uma célula desempenha um papel na produção do fenótipo. Quando uma mutação altera um gene, pode
modificar ou até eliminar a função usual da proteína codificada,
causando um fenótipo alterado. Para seguir o curso da cadeia de
eventos que se origina da síntese de uma dada proteína à presença de um determinado fenótipo, examinaremos a doença das
células falciformes (anteriormente denominada anemia falciforme), uma doença genética humana.
A doença das células falciformes é causada por uma forma
mutante de hemoglobina, a proteína que transporta o oxigênio
dos pulmões para as células corporais (Figura 1-11). A hemoglobina é uma molécula composta, formada por duas proteínas
diferentes, a ␣-globina e a ␤-globina, codificadas por genes diferentes. Cada molécula de hemoglobina funcional contém duas
␣-globinas e duas ␤-globinas. Na doença das células falciformes,
uma mutação no gene que codifica a ␤-globina causa a substituição de um aminoácido dos 146 aminoácidos dessa proteína. A
Figura 1-12 mostra parte da sequência do DNA, os códons correspondentes do mRNA e a sequência de aminoácidos para as
formas normal e mutante da ␤-globina. Observe que, na doença
das células falciformes, a mutação consiste na substituição de
uma base em um nucleotídeo do DNA, que acarreta a mudança
no códon 6 do mRNA, de GAG para GUG, o que, por sua vez,
troca o 6º aminoácido na ␤-globina de ácido glutâmico para valina. Os outros 145 aminoácidos dessa proteína não são alterados
por essa mutação.
7
FIGURA 1-11
A molécula da hemoglobina, mostrando as
duas cadeias alfa (␣) e as duas cadeias beta (␤). Uma mutação no
gene da cadeia beta produz moléculas de hemoglobina anormais e
doença das células falciformes.
B-GLOBINA NORMAL
DNA...........................TGA
mRNA........................ACU
Aminoácido............. thr
4
GGA
CCU
pro
5
CTC
GAG
glu
6
CTC............
GAG............
glu .........
GGA
CCU
pro
5
CAC
GUG
val
6
CTC............
GAG............
glu .........
7
7
B-GLOBINA MUTANTE
DNA...........................TGA
mRNA........................ACU
Aminoácido............. thr
4
FIGURA 1-12
A substituição de um único nucleotídeo no DNA
que codifica a ␤-globina (CTC S CAC) causa uma alteração no
códon do mRNA (GAG S GUG) e a inserção de um aminoácido
diferente (glu S val), produzindo a versão alterada da proteína
␤-globina, responsável pela doença das células falciformes.
Os indivíduos com duas cópias mutantes do gene da
␤-globina têm a doença das células falciformes. Suas ␤-globinas
mutantes levam as moléculas de hemoglobina a se polimerizarem
nos eritrócitos, quando a concentração de oxigênio do sangue é
baixa, formando longas cadeias de hemoglobina que distorcem
a forma dessas células (Figura 1-13). As células deformadas são
frágeis e se rompem facilmente, de modo que o número de eritrócitos na circulação é reduzido (a anemia é uma insuficiência
de eritrócitos). Além disso, quando as células sanguíneas tomam
a forma de foice, bloqueiam o fluxo sanguíneo nos vasos capilares e nos pequenos vasos sanguíneos, causando dor grave e dano
ao coração, ao encéfalo, aos músculos e aos rins. A doença das
células falciformes pode causar infartos e acidentes vasculares
cerebrais, podendo ser fatal, se não for tratada. Todos os sintomas dessa doença são causados por uma mudança em um único
nucleotídeo de um gene, que troca um só aminoácido dos 146
aminoácidos da molécula de ␤-globina, demonstrando a íntima
relação entre o genótipo e o fenótipo.
8
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO À GENÉTICA
Fragmento de DNA
Vetor
Molécula de DNA
recombinante
Inserção na célula bacteriana
FIGURA 1-13
Eritrócitos normais (de forma discoide) e falciformes. As células falciformes bloqueiam os vasos capilares e os pequenos vasos sanguíneos.
A bactéria se reproduz
Os clones são produzidos
1.3
O desenvolvimento da tecnologia
do DNA recombinante iniciou a
Era da Clonagem
A era do DNA recombinante começou no início da década de
1970, quando os pesquisadores descobriram que as bactérias se
protegem das infecções virais mediante produção de enzimas
que clivam, ou cortam, o DNA viral em sítios específicos. Quando cortado, o DNA viral não pode comandar a síntese das partículas de fagos. Os cientistas perceberam, imediatamente, que
essas enzimas, chamadas enzimas de restrição, poderiam ser
usadas para cortar o DNA de qualquer organismo em sequências
nucleotídicas específicas, produzindo um conjunto de fragmentos reproduzíveis. Isso determinou a fase de desenvolvimento da
clonagem do DNA, isto é, a produção de grande número de cópias das sequências de DNA.
Pouco depois que os pesquisadores descobriram que as enzimas de restrição produzem fragmentos específicos de DNA, foram desenvolvidos os métodos para inserir esses fragmentos em
moléculas portadoras de DNA, chamadas vetores, para a produção de moléculas de DNA recombinante e sua transferência para
as células bacterianas. Quando as células bacterianas se reproduzem, são produzidas milhares de cópias, ou clones, do conjunto de vetor e fragmentos de DNA (Figura 1-14). Essas cópias
clonadas podem ser recuperadas das células bacterianas, podendo ser isolada uma grande quantidade de fragmentos de DNA
clonados. Logo que esse montante de fragmentos específicos de
DNA se tornou disponível mediante clonagem, foi usado para
diferentes objetivos: para isolar genes, estudar sua organização e
expressão e analisar sua sequência nucleotídica e evolução.
Ao mesmo tempo em que as técnicas se tornaram mais
sofisticadas, foi possível clonar fragmentos de DNA cada vez
maiores, preparando o caminho para criar coleções de clones
que representassem o genoma de um organismo, ou seja, o conteúdo haploide completo do DNA específico do organismo considerado. As coleções de clones que contêm um genoma inteiro
FIGURA 1-14
Na clonagem, o vetor e o fragmento de DNA resultante de clivagem com uma enzima de restrição são reunidos, produzindo uma molécula de DNA recombinante. Esse DNA é transferido
para uma célula bacteriana, onde é clonado em muitas cópias por replicação da molécula recombinante e por divisão da célula bacteriana.
são denominadas bibliotecas genômicas, as quais atualmente são
disponíveis para centenas de organismos.
A tecnologia do DNA recombinante não apenas acelerou
imensamente o ritmo das pesquisas, mas também deu origem
à indústria da biotecnologia, a qual nos últimos 25 anos cresceu
tanto a ponto de se tornar uma grande contribuinte da economia
norte-americana.
1.4
O impacto da biotecnologia está
em contínua expansão
Tranquilamente e sem provocar muita publicidade nos Estados
Unidos, a biotecnologia revolucionou muitos aspectos da vida cotidiana. Os humanos usaram microrganismos, plantas e animais
durante milhares de anos, mas o desenvolvimento da tecnologia do
DNA recombinante e de técnicas associadas permite-nos modificar
geneticamente os organismos de novas maneiras e usá-los, ou seus
produtos, para tornar as nossas vidas mais intensas. A biotecnologia é o uso desses organismos modificados ou de seus produtos;
1.4
O IMPACTO DA BIOTECNOLOGIA ESTÁ EM CONTÍNUA EXPANSÃO
atualmente, encontra-se em evidência nos supermercados, nos
consultórios médicos, nas farmácias, nos magazines, nos hospitais
e nas clínicas; nas fazendas e nos pomares; em imposições legais e
proteção infantil judicial, e até em substâncias químicas industriais.
Há uma análise minuciosa da biotecnologia no Capítulo 24, mas,
por enquanto, vamos considerar o impacto da biotecnologia somente em uma pequena amostragem de exemplos cotidianos.
Plantas, animais e provisão alimentar
As modificações genéticas de plantas cultivadas constituem
uma das áreas da biotecnologia de mais rápida expansão. Seus
esforços se concentraram em características como: a resistência
a herbicidas, insetos e vírus; o aumento do conteúdo oleaginoso,
e o atraso do amadurecimento (Tabela 1.1). Atualmente, foram
aprovadas mais de uma dezena de plantas cultivadas geneticamente modificadas para uso comercial nos Estados Unidos, com
mais de 75 outras sendo testadas em experimentos de campo.
O milho e a soja (ou feijão-de-soja) resistentes a herbicidas foram plantados pela primeira vez em meados da década de 1990, e
agora cerca de 45% do cultivo de milho e 85% do de soja, nos Estados Unidos, são geneticamente modificados. Além disso, mais
de 50% do cultivo de canola e 75% do de algodão originam-se
de linhagens geneticamente modificadas. Estima-se que mais de
60% dos alimentos processados, naquele país, contenham ingredientes de plantas cultivadas geneticamente modificadas.
Essa transformação agrícola é uma fonte de controvérsia.
Os críticos se preocupam com o fato de que o uso de plantas
cultivadas resistentes aos herbicidas acarretará dependência da
manipulação química das ervas daninhas e poderá, finalmente,
resultar no surgimento de ervas daninhas resistentes aos herbicidas. Também se inquietam com a possibilidade de que as características de plantas cultivadas geneticamente modificadas possam
ser transferidas para plantas selvagens, de maneira a causarem
mudanças irreversíveis no ecossistema.
A biotecnologia também está sendo utilizada para aumentar
o valor nutritivo das plantas cultivadas. Mais de um terço da população mundial usa o arroz como alimento principal em sua dieta, mas a maioria das variedades dessa gramínea contém pouca ou
nenhuma vitamina A, cuja deficiência causa mais de 500.000 casos de cegueira infantil anualmente. Uma linhagem geneticamente modificada, chamada arroz dourado, tem altos níveis de dois
9
compostos que o organismo converte em vitamina A. No futuro
próximo, o arroz dourado estará disponível para plantio, com o
objetivo de reduzir a carga de morbidade. Outras plantas cultivadas, incluindo o trigo, o milho, os feijões e a mandioca, também
estão sendo modificadas com o intuito de elevar seu valor nutritivo, mediante aumento de seu conteúdo vitamínico e mineral.
Rebanhos de gado ovino e bovino já são clonados comercialmente há mais de 25 anos, principalmente pelo método conhecido como divisão de embriões. Em 1996, a ovelha Dolly (Figura
1-15) foi clonada por transferência nuclear, um método em que o
núcleo de uma célula diferenciada adulta (significando uma célula
reconhecível como pertencente a algum tipo de tecido) é transferido para um óvulo cujo núcleo foi previamente removido. Esse
método de transferência nuclear possibilita a produção de dezenas
ou centenas de proles com características desejáveis. A clonagem
por transferência nuclear tem muitas aplicações na agricultura,
nos esportes e na medicina. Alguns traços importantes, como a
grande produção de leite nas vacas ou a alta velocidade nos cavalos de corrida, só aparecem na idade adulta; em vez de cruzar
dois adultos e esperar para ver se sua prole herda as características
desejadas, atualmente os animais sabidamente possuidores desses
traços podem ser produzidos por clonagem de células diferenciadas de um adulto com alguma de tais características. Para as
aplicações médicas, os pesquisadores transferiram genes humanos
para animais – os chamados animais transgênicos –, de modo que,
quando adultos, esses animais produzem proteínas humanas em
seu leite. Por meio de seleção e clonagem de animais com altos
níveis de produção de proteínas humanas, as empresas biofarmacêuticas podem fornecer um rebanho com taxas uniformemente
altas de produção proteica. As proteínas humanas provenientes de
animais transgênicos estão agora sendo testadas como fármacos
terapêuticos para doenças como o enfisema. Se bem-sucedidas,
tais proteínas logo estarão disponíveis comercialmente.
A quem pertencem os organismos
transgênicos?
Uma vez produzidos, uma planta e um animal transgênicos podem ser patenteados? A resposta é positiva. Em 1980, a Supre-
TABELA 1.1
Algumas características geneticamente alteradas em plantas
cultivadas
Resistência a herbicidas
Milho, soja (feijão-de-soja), arroz, algodão, beterraba sacarina,
canola
Resistência a insetos
Milho, algodão, batata
Resistência a vírus
Batata, abóbora amarela, mamão
Reforço nutricional
Arroz dourado
Conteúdo oleaginoso alterado
Soja (feijão-de-soja), canola
Atraso do amadurecimento
Tomate
FIGURA 1-15
Dolly, uma ovelha Finn Dorset clonada a partir do
material genético de uma célula mamária adulta, é mostrada junto
ao seu cordeiro primogênito, Bonnie.
10
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO À GENÉTICA
FIGURA 1-16
O primeiro organismo geneticamente alterado a
ser patenteado foi a linhagem de camundongo onc, a qual, por meio
de engenharia genética, tornou-se suscetível a muitas formas de câncer. Esses camundongos destinavam-se ao estudo do desenvolvimento do câncer e ao projeto de novos medicamentos anticancerígenos.
ma Corte dos Estados Unidos decidiu que os organismos vivos
e os genes individuais podem ser patenteados, e em 1988 foi
patenteado, pela primeira vez, um organismo modificado pela
tecnologia do DNA recombinante (Figura 1-16). Desde então,
já foram patenteados inúmeros animais e plantas. A ética de requerer patente de organismos vivos é uma questão litigiosa. Os
defensores do patenteamento argumentam que, sem a capacidade de patentear os produtos de pesquisa para recuperar seus
custos, as empresas de biotecnologia não investirão em pesquisa
e desenvolvimento em grande escala. Além disso, argumentam
que as patentes representam um incentivo para desenvolver novos produtos, pois essas empresas colherão os lucros da tomada
de riscos para oferecer novos produtos ao mercado. Os críticos
argumentam que as patentes para organismos como as plantas
cultivadas concentrarão a propriedade da produção alimentar
nas mãos de um pequeno número de empresas de biotecnologia, tornando os agricultores economicamente dependentes das
sementes e dos pesticidas produzidos por essas empresas e reduzindo a diversidade genética das plantas cultivadas, à medida
que os agricultores descartarem as cultivares locais que possam
conter importantes genes para resistência a pragas e doenças. A
resolução dessas questões e de outras suscitadas pela biotecnologia e suas utilizações exigirá consciência pública e educação,
política social esclarecida e legislação de cuidadosa redação.
Biotecnologia em genética e medicina
A biotecnologia, na forma de testagem genética e terapia gênica,
já sendo uma parte importante da medicina, terá um papel de
liderança na decisão sobre a natureza da prática clínica no século XXI. Nos Estados Unidos, mais de 10 milhões de crianças ou
adultos sofrem de alguma forma de doença genética, e cada casal
gerando um filho se encontra em um risco de aproximadamente 3% de ter uma criança com alguma forma de má formação
genética. A base molecular de centenas de doenças genéticas já
é conhecida atualmente (Figura 1-17). Os genes da doença das
células falciformes, da fibrose cística, da hemofilia, da distrofia
muscular, da fenilcetonúria e de muitos outros distúrbios metabólicos foram clonados, sendo usados para a detecção pré-natal
de fetos afetados. Além disso, presentemente se dispõe de testes
que informam os genitores sobre seu estado de “portadores” para
uma grande quantidade de doenças hereditárias. A combinação
de testagem e aconselhamento genéticos fornece informações
objetivas aos casais, nas quais podem basear suas decisões quanto à geração de prole. Atualmente, a testagem genética já é acessível para várias centenas de distúrbios hereditários, e esse número
crescerá à medida que mais genes forem identificados, isolados e
clonados. O uso da testagem genética e de outras tecnologias, incluindo a terapia gênica, aumenta os problemas éticos que ainda
têm de ser resolvidos.
Em lugar de testar um gene de cada vez para descobrir se
alguém contém um gene mutante que possa produzir um distúrbio em sua prole, está em desenvolvimento uma nova tecnologia
que permitirá a triagem de um genoma inteiro para determinar
o risco de um indivíduo desenvolver uma doença genética ou de
ter um filho com uma doença genética. Essa tecnologia usa dispositivos chamados microarranjos de DNA, ou chips de DNA
(Figura 1-18). Cada microarranjo pode conter milhares de genes.
Na realidade, atualmente já são comercializados microarranjos
que contêm um genoma humano inteiro, sendo usados para testar a expressão gênica em células cancerosas como uma etapa no
desenvolvimento de terapias talhadas especialmente para formas
específicas de câncer. Quando a tecnologia se desenvolver mais,
será possível fazer a varredura do genoma de um indivíduo em
uma só etapa para identificar os riscos de fatores genéticos e ambientais que possam desencadear uma doença.
Na terapia gênica, os clínicos transferem genes normais para
indivíduos afetados por distúrbios genéticos. Lamentavelmente,
embora em princípio muitas tentativas de terapia gênica tenham
parecido bem-sucedidas, os fracassos terapêuticos e as mortes
de pacientes desaceleraram o desenvolvimento dessa tecnologia.
Espera-se, contudo, que novos métodos de transferência gênica
reduzam esses riscos; portanto, parece indiscutível que a terapia
gênica venha a se tornar um recurso importante no tratamento
das doenças hereditárias e que, quanto mais for aprendido sobre
a base molecular das doenças humanas, mais terapias desse tipo
serão desenvolvidas.
1.5
A genômica, a proteômica e a
bioinformática são novas áreas
em expansão
Logo que as bibliotecas genômicas se tornaram disponíveis, os
cientistas começaram a considerar os meios de sequenciar todos
os clones de tais bibliotecas, a fim de decifrarem as sequências
nucleotídicas dos genomas dos organismos. Laboratórios de
várias partes do mundo iniciaram projetos para sequenciar e
analisar os genomas de diferentes organismos, incluindo os que
causam doenças humanas. Até hoje, foram sequenciados os genomas de mais de 550 organismos, estando em andamento aproximadamente mil projetos de genomas adicionais.
O Projeto Genoma Humano começou em 1990 como um
esforço governamental internacional para sequenciar o genoma
humano e os genomas de cinco organismos-modelo usados nas
pesquisas genéticas (a importância desses organismos-modelo
é analisada a seguir). Quase ao mesmo tempo, foram iniciados
vários projetos genômicos patrocinados por empresas privadas.
O primeiro genoma sequenciado de um organismo de vida livre,
uma bactéria (Figura 1-19), foi relatado em 1995 por cientistas
de uma empresa de biotecnologia.
1.5
A GENÔMICA, A PROTEÔMICA E A BIOINFORMÁTICA SÃO NOVAS ÁREAS EM EXPANSÃO
11
teste de DNA disponível atualmente
Adrenoleucodistrofia (ALD)
Doença neurológica fatal
Distrofia muscular
Deterioração progressiva
dos músculos
Azoospermia
Ausência de espermatozoides no sêmen
Doença de Gaucher
Deficiência enzimática crônica
que ocorre frequentemente
entre os judeus asquenazes
Hemofilia A
Deficiência da
coagulação sanguínea
Síndrome de má-absorção
da glicose-galactose
Distúrbio digestivo
potencialmente fatal
Síndrome de Ehlers-Danlos
Doença do tecido conjuntivo
Retinite pigmentar
Degeneração progressiva
da retina
Esclerose lateral amiotrófica
(ALS) Doença neurológica
degenerativa letal, de início tardio
Doença de Huntington
Doença neurológica degenerativa,
de início tardio e letal
Imunodeficiência de ADA
(adenosino-desaminase)
Primeira condição hereditária
tratada por terapia gênica
Polipose adenomatosa familiar (FAP)
Pólipos intestinais que levam ao câncer colorretal
Hipercolesterolemia familiar
Níveis de colesterol
extremamente altos
22
Distrofia miotônica
Uma forma de distrofia
muscular do adulto
21
20
19
Amiloidose
Acúmulo de uma proteína
fibrilar insolúvel nos tecidos
Neurofibromatose 1 (NF1)
Tumores benignos do tecido
nervoso subcutâneo
18
17
X Y 1 2
Hemocromatose
Absorção anormalmente alta
do ferro consumido na dieta
3
4
5
6
Número do
cromossomo
humano
16
7
8
9
15
14 13 12 11
10
Câncer de mama
5% de todos os casos
Ataxia espinocerebelar
Destruição dos neurônios do encéfalo
e da medula espinal, resultando em
perda do controle muscular
Fibrose cística
Muco nos pulmões,
interferindo na respiração
Síndrome de Werner
Envelhecimento prematuro
Melanoma
Tumores que se originam na pele
Doença do rim policístico
Cistos que resultam em aumento
dos rins e insuficiência renal
Neoplasia endócrina múltipla, tipo 2
Tumores nas glândulas endócrinas e em outros tecidos
Doença de Tay-Sachs
Distúrbio hereditário fatal que envolve o
metabolismo dos lipídeos e ocorre
frequentemente nos judeus asquenazes
Doença de Alzheimer
Distúrbio encefálico degenerativo,
marcado pela senilidade prematura
Retinoblastoma
Tumor ocular infantil
Doença das células falciformes
Anemia crônica hereditária em que os
eritrócitos se tornam falciformes, obstruindo
as arteríolas e os vasos capilares
Fenilcetonúria (PKU)
Distúrbio metabólico hereditário que, se
não for tratado, resulta em deficiência mental
FIGURA 1-17
Diagrama do conjunto cromossômico humano, mostrando a localização de alguns genes cujas formas mutantes causam
doenças hereditárias. As condições diagnosticáveis mediante análise do DNA estão indicadas por um ponto vermelho.
FIGURA 1-18
Parte de um microarranjo de DNA. Os microarranjos contêm milhares de campos (os círculos), aos quais se ligam as
moléculas de DNA. Disposto em um microarranjo, o DNA de um indivíduo pode ser testado para detectarem-se cópias mutantes dos genes.
FIGURA 1-19
Fotomicrografia eletrônica colorizada de Haemophilus influenzae, uma bactéria que foi o primeiro organismo de vida
livre a ter seu genoma sequenciado. Essa bactéria causa infecções
respiratórias e meningite bacteriana em humanos.
12
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO À GENÉTICA
Em 2001, o Projeto Genoma Humano, de financiamento público, e um projeto genômico privado, patrocinado pela empresa
Celera, relataram o primeiro esboço da sequência do genoma
humano, abrangendo cerca de 96% do seu conteúdo gênico. Em
2003, foi completada e publicada a sequência do conteúdo gênico codificador remanescente. Atualmente, os esforços se concentram no sequenciamento das regiões não codificadoras do genoma. Os cinco organismos-modelo cujos genomas foram também
sequenciados pelo Projeto Genoma Humano são: Escherichia coli
(bactéria), Saccharomyces cerevisiae (levedura), Caenorhabditis
elegans (nematódeo; verme cilíndrico), Drosophila melanogaster
(mosca-das-frutas) e Mus musculus (camundongo).
À proporção que os projetos genômicos se multiplicaram
e cada vez mais sequências genômicas foram obtidas, surgiram
várias disciplinas novas na área biológica. Uma delas, denominada genômica (o estudo dos genomas), sequencia os genomas
e estuda a estrutura, a função e a evolução dos genes e genomas.
Uma segunda disciplina, a proteômica, é derivada da genômica. A proteômica identifica o grupo de proteínas presentes em
uma célula, sob um dado conjunto de condições, e estuda adicionalmente a modificação pós-traducional dessas proteínas,
sua localização no interior das células e as interações proteínaproteína que ali ocorrem. Para armazenar, recuperar e analisar a
quantidade maciça de dados gerados pela genômica e pela proteômica, foi criado um subcampo especializado da tecnologia da
informação, chamado bioinformática, cuja finalidade é desenvolver hardware e software para processar os dados nucleotídicos
e proteicos. Considere que o genoma humano contém mais de
3 bilhões de nucleotídeos, representando cerca de 25.000 genes
que codificam dezenas de milhares de proteínas, e você poderá
avaliar a necessidade de bancos de dados para armazenar tantas
informações.
Essas novas disciplinas estão transformando drasticamente
a biologia, de uma ciência de base laboratorial para uma ciência
que combina os experimentos laboratoriais com a tecnologia da
informação. Atualmente, os geneticistas e outros biólogos usam
as informações de bancos de dados que contêm sequências de
ácidos nucleicos e de proteínas, bem como redes de interação
gênica, para resolver problemas experimentais em uma questão
de minutos, em lugar de meses e anos. Um destaque denominado Explorando a genômica, localizado ao final de todos os
capítulos deste manual, fornece-lhe a oportunidade de explorar
sozinho esses bancos de dados, enquanto completa um exercício
interativo de genética.
1.6
Os estudos genéticos contam com
o uso de organismos-modelo
Após a redescoberta dos trabalhos de Mendel, em 1900, as pesquisas genéticas sobre uma ampla variedade de organismos
confirmaram que os princípios da hereditariedade que esse
cientista descreveu eram de significância universal entre as
plantas e os animais. Ainda que continuassem a pesquisar a genética de muitos organismos diferentes, os geneticistas gradualmente passaram a focalizar com atenção especial um pequeno
número de organismos, incluindo a mosca-das-frutas (Drosophila melanogaster) e o camundongo (Mus musculus) (Figura
1-20). Essa tendência se desenvolveu por duas razões principais: a primeira é a evidência de que os mecanismos genéticos
(a)
(b)
FIGURA 1-20
A primeira geração de organismos-modelo, na
análise genética, incluiu (a) o camundongo e (b) a mosca-das-frutas.
eram os mesmos na maioria dos organismos, e a segunda, as
espécies preferenciais tinham diversas características que as
tornavam especialmente adequadas para as pesquisas genéticas.
Cresciam facilmente, tinham ciclos vitais relativamente curtos,
produziam muitas proles, e sua análise genética era razoavelmente simples. Ao longo do tempo, os pesquisadores criaram
um grande catálogo de linhagens mutantes dessas espécies
preferenciais, e as mutações foram cuidadosamente estudadas,
caracterizadas e mapeadas. Graças à sua genética bem caracterizada, essas espécies se tornaram organismos-modelo, definidos
como organismos usados para o estudo de processos biológicos
básicos. Apesar de desenvolvidos originalmente para o estudo
de mecanismos genéticos, os organismos-modelo atualmente
estão sendo utilizados no estudo de eventos celulares em geral, bem como da origem e dos mecanismos de muitas doenças
humanas (genéticas ou não), e no desenvolvimento de terapias
inovadoras para tratá-las. Nos últimos capítulos, veremos como
as descobertas nos organismos-modelo estão esclarecendo muitos aspectos da biologia, como o envelhecimento, o câncer, o
sistema imune e o comportamento.
O atual conjunto de organismos-modelo
genéticos
Gradualmente, os geneticistas acrescentaram outras espécies à
sua coleção de organismos-modelo, abrangendo os vírus (como
os fagos T e o fago lambda) e os microrganismos (a bactéria
Escherichia coli e a levedura Saccharomyces cerevisiae) (Figura
1-21). Alguns desses organismos foram escolhidos pelas razões
resumidas anteriormente, enquanto outros foram selecionados
em virtude de outras características que facilitavam mais o estudo de certos aspectos genéticos.
Mais recentemente, três espécies adicionais foram desenvolvidas como organismos-modelo, cada uma escolhida para o
estudo de algum aspecto do desenvolvimento embrionário. Para
estudar o sistema nervoso e seu papel no comportamento, foi
escolhido o nematódeo Caenorhabditis elegans [Figura 1-22(a)]
como um sistema-modelo. É um animal pequeno, fácil de crescer, e seu sistema nervoso contém somente algumas centenas de
células. A Arabidopsis thaliana [Figura 1-22(b)] é uma planta
pequena com um ciclo vital curto que pode desenvolver-se em
1.6
OS ESTUDOS GENÉTICOS CONTAM COM O USO DE ORGANISMOS-MODELO
13
(a)
(b)
(a)
(b)
FIGURA 1-21
Os microrganismos que se tornaram organismosmodelo para os estudos genéticos incluem (a) a levedura S. cerevisiae
e (b) a bactéria E. coli.
laboratório. Foi usada inicialmente para o estudo do desenvolvimento floral, mas se tornou um organismo-modelo para o
estudo de outros inúmeros aspectos da biologia vegetal. O peixezebra, ou paulistinha, Danio rerio [Figura 1-22(c)], tem diversas
vantagens para o estudo do desenvolvimento de vertebrados:
tem tamanho pequeno, reproduz-se rapidamente, e seus ovos,
embriões e larvas são transparentes.
(c)
Organismos-modelo e
doenças humanas
O desenvolvimento da tecnologia do DNA recombinante e os
resultados do sequenciamento genômico confirmaram que todas as formas de vida têm uma origem comum. Devido a essa
origem comum, os genes com funções similares, em diferentes
organismos, tendem a ter estrutura e sequência nucleotídica semelhantes ou idênticas. Portanto, grande parte do que os cientistas aprendem estudando a genética de outras espécies pode ser
aplicada aos humanos e serve como base para a compreensão
e o tratamento das doenças humanas. Além disso, a capacidade
para transferir genes entre as espécies possibilitou aos cientistas
o desenvolvimento de modelos de doenças humanas em organismos que abrangem das bactérias aos fungos, plantas e animais
(Tabela 1.2).
A ideia de estudar uma doença humana como o câncer colorretal mediante utilização de E. coli pode surpreendê-lo como
algo estranho, mas os passos básicos de reparação do DNA (um
processo que está defeituoso em algumas formas de câncer colorretal) são os mesmos em ambos os organismos, e o gene envolvido (mutL em E. coli e MLH1 em humanos) é encontrado
também nos dois organismos. O mais notável é que E. coli tem a
vantagem de se multiplicar mais facilmente (as células dividemse a cada 20 minutos), de modo que os pesquisadores podem
criar e estudar novas mutações, sem dificuldade, no gene bacteriano mutL, a fim de imaginar como esse gene funciona. Esse
conhecimento poderá levar finalmente ao desenvolvimento de
FIGURA 1-22
Os organismos-modelo mais recentes na genética
incluem (a) o nematódeo C. elegans, (b) a planta A. thaliana e (c) o
peixe-zebra, D. rerio.
fármacos e outras terapias para tratar o câncer colorretal em
humanos.
A mosca-das-frutas, D. melanogaster, também está sendo usada para o estudo específico de doenças humanas. Foram
identificados genes mutantes em D. melanogaster que produzem
fenótipos com anormalidades do sistema nervoso, incluindo
anormalidades da estrutura encefálica, degeneração do sistema
nervoso com início no adulto e defeitos visuais como a degeneração da retina. As informações provenientes de projetos de
14
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO À GENÉTICA
TABELA 1.2
Organismos-modelo usados no estudo de doenças humanas
Organismo
Doenças humanas
E. coli
S. cerevisiae
D. melanogaster
C. elegans
D. rerio
M. musculus
Câncer colorretal e outros cânceres
Câncer, síndrome de Werner
Distúrbios do sistema nervoso, câncer
Diabete
Doença cardiovascular
Doença de Lesch-Nyhan, fibrose cística, síndrome do X- frágil e muitas outras doenças
sequenciamento genômico indicam que quase todos esses genes
têm correspondentes humanos. Por exemplo, os genes envolvidos em uma doença humana complexa da retina, chamada retinite pigmentar, são idênticos aos genes de Drosophila causadores
de degeneração retiniana. O estudo dessas mutações nas moscasdas-frutas está ajudando a análise dessa doença complexa e a
identificação das funções dos genes envolvidos.
Outra abordagem do uso de Drosophila para estudar as
doenças do sistema nervoso humano é a transferência de genes
de doenças humanas para as moscas, por meio da tecnologia do
DNA recombinante. As moscas transgênicas são, então, usadas
para o estudo dos próprios genes humanos mutantes, dos genes
que afetam a sua expressão e dos efeitos das drogas terapêuticas
na atividade daqueles genes, consistindo todos em estudos difíceis ou impossíveis de serem realizados em humanos. A abordagem da transferência gênica está sendo usada no estudo de praticamente uma dúzia de distúrbios neurodegenerativos humanos,
incluindo a doença de Huntington, a doença de Machado-Joseph, a distrofia miotônica e a doença de Alzheimer.
À medida que estiver lendo este livro, você encontrará esses
organismos-modelo repetidamente. Sempre que os encontrar, lembre-se de que eles não somente têm uma valiosa história em pesquisa de genética básica, mas também estão na vanguarda dos estudos
de distúrbios genéticos e doenças infecciosas em humanos.
O uso de organismos-modelo para a compreensão da saúde
e doença humanas é um dos vários meios pelos quais a genética
e a biotecnologia estão mudando rapidamente a vida cotidiana.
No entanto, como será discutido na próxima seção, ainda temos
de alcançar um consenso sobre como e quando essa tecnologia é
segura e eticamente aceitável.
1.7
Vivemos na idade da genética
Mendel descreveu seu projeto de uma década sobre a hereditariedade nas ervilheiras em um artigo de 1865, apresentado-o
em um encontro da Sociedade de História Natural de Brunn, na
Moravia. Exatamente 100 anos mais tarde, o Prêmio Nobel de
1965 foi concedido a François Jacob, André Lwoff e Jacques Monod por seu trabalho sobre a base molecular da regulação gênica
em bactérias. Esse intervalo abrange os anos que prepararam o
caminho para a aceitação do trabalho de Mendel, a descoberta
de que os genes se localizam nos cromossomos, os experimentos
que provaram que o DNA codifica as informações genéticas e a
elucidação da base molecular da replicação do DNA. O rápido
desenvolvimento da genética, do jardim do mosteiro de Mendel
ao Projeto Genoma Humano e eventos posteriores, está resumido em uma cronologia constante na Figura 1-23.
O Prêmio Nobel e a genética
Embora outras áreas científicas também apresentem expansão
recente, nenhuma tem igualado a explosão de informações e a
instigação gerada pelas descobertas em genética. Em parte alguma esse impacto é mais aparente do que na lista de Prêmios
Nobel relacionados à genética, iniciando com os que foram concedidos no início e em meados do século XX, e continuando até
o período atual (veja o verso da capa). Os Prêmios Nobel das
categorias de Medicina ou Fisiologia e Química foram compativelmente concedidos para trabalhos em genética e áreas associadas. O primeiro Prêmio Nobel atribuído para tais trabalhos foi
dado a Thomas Morgan, em 1933, por sua pesquisa sobre a teoria
cromossômica da herança. A essa distinção, seguiram-se muitas
outras, inclusive prêmios pela descoberta da recombinação genética, relação entre os genes e as proteínas, estrutura do DNA e o
código genético. Neste século, os geneticistas continuam a ser recompensados por seu impacto na biologia no presente milênio.
O Prêmio de 2002 para Medicina ou Fisiologia foi outorgado a
Comprovou-se que o DNA
contém a informação genética.
Modelo do DNA é proposto
por Watson-Crick
Trabalho de Mendel
é publicado
É proposta a teoria
cromossômica da
herança. A genética da
transmissão evoluiu
Desenvolveu-se a
tecnologia do DNA
recombinante. Inicia-se a
clonagem do DNA
Começa a aplicação
da genômica
1860s 1870s 1880s 1890s 1900s 1910s 1920s 1930s 1940s 1950s 1960s 1970s 1980s 1990s 2000s . . . . . . . . .
........
O trabalho de Mendel
é redescoberto e correlacionado
com o comportamento
dos cromossomos na meiose
Era da Genética Molecular.
A expressão e a regulação
gênica são compreendidas
Inicia-se a genômica.
O Projeto Genoma
Humano é iniciado
FIGURA 1-23
Cronologia que mostra o desenvolvimento da genética, do trabalho de Gregor Mendel com as ervilheiras à atual era da
genômica e suas inúmeras aplicações em pesquisa, medicina e sociedade. O conhecimento da história das descobertas em genética deve propiciar-lhe um proveitoso embasamento à medida que você prosseguir a leitura deste livro texto.
GENÉTICA, TECNOLOGIA E SOCIEDADE
Sydney Brenner, H. Robert Horvitz e John E. Sulston pelo seu
trabalho sobre a regulação genética do desenvolvimento orgânico e da morte celular programada. Em 2006, as distinções agraciaram Andrew Fire e Craig Mello pela sua descoberta de que
as moléculas de RNA desempenham um papel importante na
regulação da expressão gênica e Roger Kornberg pelo seu trabalho sobre a base molecular da transcrição eucariótica. O Prêmio
Nobel de 2007 foi concedido a M. R. Capecchi, O. Smithies e M.
J. Evans pelo desenvolvimento de tecnologia de marcação gênica,
essencial para a criação dos camundongos nocaute, que servem
como modelos animais de doenças humanas.
Genética e sociedade
Assim como jamais houve uma época tão estimulante para estudar genética, o impacto dessa área na sociedade nunca foi mais
profundo do que agora. A genética e suas aplicações em biotecnologia estão se desenvolvendo com muito maior rapidez do que
as convenções sociais, as políticas públicas e as leis necessárias
para regular seu uso (veja o ensaio na seção “Genética, tecnologia
e sociedade” deste capítulo). Como membros da sociedade, estamos lutando com uma grande quantidade de questões delicadas
relacionadas à genética, as quais abrangem as preocupações com
testagem pré-natal, cobertura de seguros, discriminação genética, direito de propriedade dos genes, acesso à terapia gênica e
segurança dessa forma de terapia e privacidade genética. Na época em que você terminar o seu curso, terá visto evidências mais
do que suficientes para convencê-lo de que o momento atual é a
Idade da Genética e compreenderá a necessidade de ponderar e
tornar-se participante no diálogo relativo à ciência da genética e
ao seu uso.
GENÉTICA, TECNOLOGIA E SOCIEDADE
Genética e sociedade: a aplicação e o
impacto da ciência e da tecnologia
U
m dos aspectos especiais deste
texto é a série de ensaios sobre
Genética, tecnologia e sociedade que você encontrará na conclusão da
maioria dos capítulos. Esses ensaios exploram tópicos relacionados com a genética
que exercem um impacto na vida de cada
um de nós e, desse modo, na sociedade
em geral. Hoje em dia, a genética envolve
todos os aspectos da vida moderna, acarretando rápidas mudanças em medicina,
agricultura, direito, indústria farmacêutica
e biotecnologia. Os médicos agora usam
centenas de testes genéticos para diagnosticar e predizer o curso de uma doença,
bem como para detectar defeitos genéticos
intra-uterinamente. Os métodos com base
no DNA permitem aos cientistas traçar a
rota de evolução seguida por muitas espécies, inclusive a nossa. Os fazendeiros e
agricultores desenvolvem o cultivo de plantas resistentes às doenças e à seca e criam
animais domésticos mais produtivos, originados por meio de técnicas de transferência gênica. Os métodos de obtenção
do perfil do DNA aplicam-se aos testes de
paternidade e às investigações criminais.
As biotecnologias resultantes das pesquisas genômicas exercem efeitos dramáticos
sobre a indústria em geral. Enquanto isso,
a própria indústria biotecnológica gera
mais de 700.000 empregos e uma receita
de US$ 50 bilhões anuais, duplicando seu
tamanho a cada década.
Juntamente com essas tecnologias genéticas que rapidamente se modificam, sobrevém uma série de dilemas éticos. Quem
15
possui e controla as informações genéticas? As plantas e os animais domésticos
submetidos a melhoramento genético são
seguros para os humanos e seu ambiente?
Temos o direito de patentear organismos
e tirar proveito de sua comercialização?
Como podemos assegurar-nos de que as
tecnologias genômicas serão acessíveis a
todos, e não apenas aos indivíduos sadios?
Quais são as prováveis consequências sociais das novas tecnologias reprodutivas?
É uma época em que todos precisam conhecer a genética, a fim de tomar decisões
pessoais e coletivas complexas.
Os ensaios da seção Genética, tecnologia e sociedade exploram a interface da
sociedade e da tecnologia genética. Esperamos que esses textos representem vias
de acesso para sua exploração da infinidade de aplicações da genética moderna
e suas implicações sociais. A seguir, listamos os tópicos que servem de base para
muitos desses ensaios, acompanhados
do número do capítulo em que cada um
é encontrado. Ainda que sua disciplina de
genética não abranja certos capítulos, esperamos que você considere interessantes
os ensaios desses capítulos. Boa leitura!
Câncer de mama: a faca de dois gumes da
testagem genética (2)
Doença de Tay-Sachs: a base molecular de
um distúrbio recessivo em humanos (3)
Melhorando o destino genético dos cães
de raça pura (4)
Genes bacterianos e doenças: da expressão gênica às vacinas comestíveis (6)
Uma questão de gênero: seleção sexual
em humanos (7)
O elo entre os sítios frágeis e o câncer (8)
O DNA mitocondrial e o mistério dos Romanovs (9)
As torções e as voltas da revolução helicoidal (10)
Telômeros: definindo o fim da linha? (11)
Além de Dolly: a clonagem de humanos
(13)
Silenciamento de genes com base em ácidos
nucleicos: atacando o mensageiro (14)
A doença da vaca louca: a história do príon (15)
À sombra de Chernobyl (16)
Quorum Sensing: como as bactérias se
comunicam entre elas (17)
Regulação gênica e distúrbios genéticos
humanos (18)
As guerras das células-tronco (19)
O câncer na mira: fazendo pontaria com
terapias objetivas (20)
Projetos genômicos personalizados e a
busca do genoma de $ 1.000,00 (21)
Afinal de contas, de quem é o DNA? (23)
Terapia gênica – dois passos à frente e
dois passos atrás? (24)
A revolução verde revisitada: pesquisas genéticas com o arroz (25)
Genética da orientação sexual (26)
Rastreando nossos vestígios genéticos
africanos (27)
O que podemos aprender do fracasso do
movimento eugenista? (28)
Os conjuntos gênicos e as espécies ameaçadas: a difícil situação da pantera da
Flórida (29)
16
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO À GENÉTICA
EXPLORANDO A GENÔMICA
Recursos da Internet para o conhecimento
dos genomas de organismos-modelo
A
genômica é uma das áreas da genética de mais rápida mudança. As
novas informações, nesse campo,
estão acumulando-se em uma velocidade
espantosa. O acompanhamento do desenvolvimento atual na genômica, proteômica, bioinformática e outros exemplos da
era “ômica” da genética moderna é uma
tarefa verdadeiramente desafiadora! Em
consequência, os geneticistas, os biólogos
moleculares e outros cientistas valem-se de
bancos de dados on-line para compartilhar
e comparar novas informações.
O objetivo da seção “Explorando a genômica”, que aparece no fim de cada capítulo, é apresentar ao leitor um conjunto
de bancos de dados da Internet, com os
quais os cientistas de todo o mundo contam para compartilhar, analisar, organizar, comparar e armazenar os dados dos
estudos em genômica, proteômica e áreas
afins. Exploraremos esse conjunto incrível
de novas informações – abrangendo alguns
dos melhores recursos públicos disponíveis
mundialmente – e iremos mostrar-lhe como
usar as estratégias da bioinformática para
analisar os dados de estrutura e sequência
ali encontrados. Cada série de exercícios
da seção “Explorando a genômica” fornecerá uma introdução básica sobre um ou
mais bancos de dados ou programas especialmente úteis ou relevantes, e depois irá
orientá-lo ao longo dos exercícios que usam
esses bancos de dados para ampliar ou reforçar os conceitos importantes analisados
no capítulo. Esses exercícios são elaborados
para ajudá-lo a navegar nos bancos de dados, mas suas explorações não precisam limitar-se a tais experiências. Parte do prazer
da aprendizagem em genômica consiste em
descobrir, por si próprio, esses importantes
bancos de dados, de maneira que você possa obter as informações mais recentes sobre
qualquer tópico que lhe interesse. Aproveite
suas pesquisas!
Neste capítulo, discutimos a importância dos organismos-modelo para as abordagens experimentais clássicas e modernas
da genética. Em nossa primeira série de
exercícios de “Explorando a genômica”,
apresentamos vários sites da Internet que
são excelentes fontes de informações atualizadas sobre uma ampla variação de projetos genômicos completos ou em andamento que envolvem os organismos-modelo.
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■
Exercício I – Genome News Network
(Rede de Informações Genômicas)
A partir de 1995, quando os cientistas
descobriram o genoma de Haemophilus influenzae, fazendo dessa bactéria o primeiro
organismo a ter seu genoma sequenciado,
foram completadas as sequências de mais
de 500 organismos. O Genome News Network é um site* que dá acesso às informações básicas sobre sequências genômicas recém-completadas.
1. Visite o Genome News Network em
www.genomenewsnetwork.org.
2. Clique no link “Quick Guide to Sequenced Genomes” (Guia Rápido para
Genomas Sequenciados). Role a página; clique nos links apropriados para
encontrar as informações sobre os genomas de Anopheles gambiae, Lactococcus
lactis e Pan troglodytes e responda às seguintes questões para cada organismo:
a. Quem sequenciou o genoma desse
organismo, e em que ano esse sequenciamento se completou?
b. Qual é o tamanho do genoma de
cada organismo em pares de bases?
c. Quantos genes existem em cada genoma aproximadamente?
d. Descreva brevemente por que os geneticistas estão interessados em estudar o genoma desse organismo.
■
genética. Visite o site relativo ao seu organismo-modelo preferido para aprender
mais sobre o seu genoma!
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Exercício II – Explorando os genomas
dos organismos-modelo
Dispõe-se de uma imensa quantidade de
informações sobre os genomas de muitos
organismos-modelo que desempenharam
papéis inestimáveis no progresso de nosso conhecimento de genética. A seguir,
constam links para diversos sites* que são
recursos excelentes para o seu estudo de
■
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* A manutenção e a disponibilização dos sites
(em inglês) são de responsabilidade de seus desenvolvedores.
Ensembl Genome Browser
www.ensembl.org/index.html. Site
importante para informações genômicas sobre muitos organismosmodelo.
Flybase: flybase.bio.indiana.edu.
Grande banco de dados sobre os
genes e genomas de Drosophila.
TM
Gold Genomes OnLine Database: www.genomesonline.org/gold.
cgi. Acesso amplo aos projetos genômicos mundiais completos e em
andamento.
Model Organisms for Biomedical
Research: www.nih.gov/science/
models/. Site dos Institutos Nacionais de Saúde com uma riqueza de
recursos sobre organismos-modelo.
Mouse Genome Informatics:
www.informatics.jax.org/. Genética e genômica de camundongos de
laboratório.
Rat Genome Project:
www.hgsc.bcm.tmc.edu/projects/
rat/. Site do Baylor College of Medicina sobre o genoma de rato.
Saccharomyces Genome Database:
www.yeastgenome.org/. Banco de
dados para a genética de Saccharomyces cerevisiae, conhecido como o
fermento do padeiro.
Science Functional Genomics:
www.sciencemag.org/feature/plus/
sfg/. Hospedada pelo periódico
Science, é uma boa fonte de informações sobre os genomas de organismos-modelo e outras áreas atuais
da genômica.
The Arabidopsis Information Resource: www.arabidopsis.org/. Banco
de dados genéticos para a plantamodelo Arabidopsis thaliana.
WormBase: www.wormbase.org.
Banco de dados genômicos para o
nematódeo cilíndrico Caenorhabditis
elegans.
TESTE SEU CONHECIMENTO
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Resumo
1. O trabalho de Mendel sobre as ervilheiras estabeleceu os princípios
da transmissão gênica dos genitores para a prole, que são os fundamentos da ciência da genética.
2. Os genes e os cromossomos são as unidades fundamentais na teoria
cromossômica da herança. Essa teoria explica a transmissão das informações genéticas que controlam as características fenotípicas.
3. A genética molecular – com base no dogma central de que o DNA é
um molde para formar o RNA, o qual codifica a estrutura linear das
proteínas – explica os fenômenos descritos pela genética mendeliana, também referidos como genética da transmissão.
4. A tecnologia do DNA recombinante, uma metodologia de longo
alcance usada em genética molecular, possibilita que os genes de
um organismo sejam encadeados em vetores e clonados.
5. Genômica, proteômica e bioinformática são novas áreas derivadas
da tecnologia do DNA recombinante. Essas novas áreas combinam a
genética com a tecnologia da informação, possibilitando que os cien-
tistas explorem as sequências dos genomas, a estrutura e a função
dos genes, o conjunto de proteínas intracelulares e a evolução dos
genomas. O Projeto Genoma Humano é um exemplo de genômica.
6. A biotecnologia revolucionou a agricultura, a indústria farmacêutica e a medicina. Tornou possível a produção em massa de produtos
gênicos clinicamente importantes. A testagem genética permite a
detecção dos indivíduos com distúrbios genéticos e dos que se encontram em risco de ter prole afetada, enquanto a terapia gênica
oferece a esperança de tratamento de distúrbios genéticos graves.
7. Na genética, o estudo de organismos-modelo acelerou o conhecimento dos mecanismos genéticos e, conjugado à tecnologia do
DNA recombinante, produziu modelos de doenças genéticas humanas.
8. Os efeitos da tecnologia genética na sociedade são profundos, e o
desenvolvimento de política e legislação está retardando as inovações resultantes.
Teste seu conhecimento
1. Descreva as conclusões de Mendel sobre como as características são
transmitidas de geração a geração.
2. Qual é a teoria cromossômica da herança, e como se relaciona com
as descobertas de Mendel?
3. Defina genótipo e fenótipo e descreva como estão relacionados.
4. Que são alelos? É possível que existam mais de dois alelos de um
gene?
5. Dado o estado do conhecimento na época do experimento de
Avery, MacLeod e McCarty, por que foi difícil, para alguns cientistas, a aceitação de que o DNA é o portador da informação genética?
6. Diferencie cromossomos e genes.
7. Como é codificada a informação genética em uma molécula de
DNA?
8. Descreva o dogma central da genética molecular e como ele serve
como a base da genética moderna.
9. Quantas proteínas diferentes, cada uma com uma sequência de
aminoácidos única, podem ser construídas com a extensão de cinco
aminoácidos?
10. Esquematize os papéis desempenhados pelas enzimas de restrição e
pelos vetores na clonagem do DNA.
11. Quais são alguns dos impactos da biotecnologia sobre as plantas
cultivadas nos Estados Unidos?
12. Resuma os argumentos favoráveis e contrários ao patenteamento de
organismos geneticamente modificados.
13. Possuímos de 25 mil a 30 mil genes em nosso genoma. Até agora,
foram fornecidas patentes para mais de 6 mil desses genes. Você
pensa que as empresas ou os indivíduos estariam qualificados para
patentear os genes humanos? Por que, ou por que não?
14. Como o uso de organismos-modelo acelerou nosso conhecimento
dos genes que controlam as doenças humanas?
15. Se você soubesse que uma doença hereditária de início tardio ocorre
em sua família (em outras palavras, uma doença que só aparece muito mais tarde na vida) e pudesse ser testado quanto a essa doença aos
20 anos de idade, desejaria saber se você é um portador? É provável
que sua resposta se modifique quando você chegar aos 40 anos?
16. A “Idade da Genética” foi ocasionada por avanços marcantes nas
aplicações da biotecnologia na manipulação dos genomas de plantas e animais. Dado que a população mundial alcançou 6 bilhões,
e é esperado que esse número duplique nos próximos 50 anos, alguns cientistas propuseram que somente a introdução mundial de
alimentos geneticamente modificados (GM) possibilitará o atendimento às futuras demandas nutricionais. A resistência a pestes, a
herbicidas, ao frio e à seca e a tolerância à salinidade, juntamente
com o aumento do valor nutritivo, são vistos como atributos positivos dos alimentos GM. No entanto, outros advertem que o dano involuntário a outros organismos, a eficiência reduzida aos pesticidas,
a transferência gênica a espécies não objetivadas, a alergização e,
por enquanto, os efeitos desconhecidos na saúde humana são possíveis preocupações em relação aos alimentos GM. Se você estivesse
em posição de controlar a introdução de um produto alimentício
básico GM (o arroz, por exemplo), quais seriam os critérios que
você estabeleceria antes de permitir tal introdução?
17. O evento da BIO (Biotechnology Industry Organization; Organização das Indústrias de Biotecnologia) realizado na Filadélfia (junho
de 2005) reuniu os líderes mundiais das indústrias biotecnológica e
farmacêutica. Simultaneamente, a BioDemocracy 2005, um grupo
composto de pessoas que procuram ressaltar os riscos das aplicações
disseminadas da biotecnologia, se reuniu também na Filadélfia. Os
benefícios da biotecnologia estão esboçados em seu texto. Faça uma
predição de alguns dos riscos que, sem dúvida, foram discutidos no
encontro da BioDemocracy.