Capítulo

Capítulo
1
BASES DA GENÉTICA
Genética é um termo de origem Latina “genesis” que significa
nascimento. É a Ciência que estuda a herança das características dos
seres vivos. Isso corresponde ao estudo de todos os processos de
transmissão do material genético de geração a geração em qualquer
organismo.
A primeira ramificação abrange a
Mendeliana
que
estuda
a
variabilidade
Genética Clássica ou
genética
discreta
ou
descontínua (por exemplo, a cor dos olhos) e a Genética Quantitativa
que estuda a variabilidade genética contínua (por exemplo, a altura de
indivíduos).
A Genética atualmente sofre ainda diversas ramificações de
acordo com o organismo estudado ou o nível de organização em que
esse estudo é realizado. Assim temos as divisões de Genética
Humana,
Genética
Animal,
Genética
Vegetal
e
Genética
de
Microrganismos. Essa última corresponde ao estudo da genética de
fungos, de bactérias, de protozoários e de vírus.
Ao nível de organização, a Citogenética
estuda o padrão
cromossômico nas populações e sua implicação evolutiva, a Genética
Molecular estuda as características e propriedades do material
genético (DNA ou Ácido Desoxiribonucleico e RNA ou Ácido
Ribonucleico) e de moléculas semantoforéticas (que trazem de
maneira indireta a informação da composição genética de um
organismo) como as proteínas não catalíticas (insulina, etc.) e
catalíticas
ou
enzimas
(proteases,
amilases,
etc.).
Ao
nível
populacional, a Genética de Populações estuda a dinâmica dos genes
nas populações, a quantificação dos efeitos causadores de mudança
nas frequências dos genes e o modo que a estrutura de uma
população afeta sua composição genética .
O trabalho de Gregor Mendel (1866), é a base da genética
clássica e a análise dos seus dados sobre o padrão de segregação de
diferentes aspectos de sete caracteres qualitativos de ervilha (Vicia
faba) analisados individualmente a partir de linhagens puras para cada
caracter,
permitiu elucidar
o mecanismo
da herança dessas
características qualitativas. Trouxe novos conceitos com os termos:
unidade de transmissão dos caracteres, o gene; as combinações de
genes para uma ou mais características ou genótipo; o padrão que
um indivíduo apresenta em relação a uma característica estudada
(textura de semente: lisa ou rugosa), resultante da interação do
genótipo - ambiente ou fenótipo; genes iguais ou diferentes
denominados de alelos; que hoje sabemos são pertencentes a um
mesmo lugar ou locus no cromossomo; alelo dominante o que
determina o padrão fenotípico quando em presença de outro alelo
igual (A) ou em presença de um alelo que não se manifesta (a). Alelo
(a) encoberto na manifestação do fenótipo, também denominado por
Mendel de recessivo; o indivíduo que apresenta dois alelos iguais
(AA, aa) ou homozigoto; e aquele que apresenta dois alelos
diferentes (Aa) ou heterozigoto. Mendel ainda introduziu o conceito
de diplóide para os indivíduos que portam dois genes para um
mesmo carácter, mais tarde evidenciado como os indivíduos que tem
dois cromossomos de cada tipo (2n cromossomos) e haplóide para os
gametas que possuem um gene para cada característica, explicado
pela sua origem através da divisão redutora ou meiose que a partir de
células mãe, reduz o número de cromossomos das células originadas
para n, que diferenciadas formam os gametas, o conceito de haploidia
foi mais tarde aplicado a indivíduos de populações com reprodução
assexuada onde cada organismo possui em suas células um único
conjunto de cromossomos. Mendel estabeleceu as duas Leis da
herança:
1a Lei - Princípio da Segregação. Um híbrido Amarelo (Aa),
indivíduo resultante de um dos cruzamentos usados por Mendel de
duas variedades distintas para coloração da semente de ervilha
Sementes Amarelas (AA) e Sementes verdes (aa), possui os dois
fatores parentais que se separam e segregam nos gametas (A e
a) em um cruzamento monohíbrido (Aa x Aa) da F1 entre si de
sementes amarelas, produzindo uma
F2
de descendentes na
proporção genotípica de 1/4 de ervilhas com sementes amarelas (AA),
2/4 de ervilhas com sementes amarelas (Aa) e 1/4 de ervilhas de
sementes verdes (aa) e com uma proporção fenotípica portanto de
3/4
de ervilhas com sementes amarelas e 1/4 d ervilhas com
sementes verdes.
Amarela Verde
AA x
aa
Geração Parental (P)
Geração Filial 1 (F1) 100% Amarela
Aa
Gametas (50%)A, (50%)a
Cruzamento Monohíbrido da F1
Aa x
Aa
Geração Filal 2 (F2)
1/4 AA, 2/4 Aa, 1/4 aa
3/4 Amarela 1/4 verde
Gametas Femininos
Gametas masculinos
A
a
A
AA
Aa
a
Aa
Aa
2a Lei - Princípio da Transmissão Independente, Mendel, agora
considerou o produto de indivíduos que diferiam entre si, em dois
pares de genes, em cruzamentos dihíbridos (AaBb x AaBb). Para
isso utilizou em um dos cruzamentos, duas linhagens puras de ervilha,
sementes amarelas e lisas (AABB) com sementes verdes e rugosas
(aabb). Da F1 cruzada entre si, de sementes amarelas e lisas (AaBb),
obteve as proporções de 9/16 amarelas e lisas; 3/16 amarelas e
rugosas; 3/16 verdes e lisas e 1/16 verdes e rugosas, provando que
dois pares de genes tem transmissão independente.
Geração Parental (P)
Amarela Lisa
AABB
x
Verde Rugosa
aabb
Geração Filial 1 (F1)
100% Amarela Lisa
AaBb
Cruzamento Dihíbrido:
AaBb x AaBb
Geração Filial 2 (F2) 9/16 A_B_,
3/16 A_bb,
3/16 aaB_, 1/16 aabb
Amartela Lisa Amarela Rugosa Verde Lisa Verde Rugosa
Para obtenção dos genótipos segregantes da F2 basta utilizar o Quadro de Punnet:
GAMETAS
FÊMEAS
1/4 AB
1/4 AB
M
A
C
H
O
S
1/4 Ab
1/4 Ab
1/4 aB
1/4 ab
1/16 AABB
1/16 AABb
1/16 AaBB
1/16 AaBb
1/16 AABb
1/16 AAbb
1/16 AaBb
1/16 Aabb
1/16 AaBB
1/16 AaBb
1/16 aaBB
1/16 aaBb
1/16 AaBb
1/16 Aabb
1/16 aa Bb
1/16 aabb
1/4 aB
1/4 ab
A noção que os cromossomos carregam os genes, como
percebe-se, só foi aceita mais tarde e constituiu-se na Teoria
Cromossômica da Herança. Thomas Hunt Morgan em 1910, trouxe a
primeira evidência para essa teoria. Foi obtida a partir de estudos em
uma mosca da fruta, a Drosophila melanogaster.
D. melanogaster
cor de olho selvagem (vermelho) e do mutante white (branco)
Esse organismo que mostrou-se como um dos mais adequados
organismos para estudos genéticos, pelo seu pequeno tamanho e
baixo número de cromossomos, fácil criação em pequenos espaços de
laboratório, cultura de manutenção econômica, grande número de
descendentes por geração, grande número de gerações em pouco
espaço de tempo e a possibilidade de se obter fêmeas virgens logo
após a eclosão para efetuar cruzamentos precisos. Morgan cruzou
moscas de linhagens puras com olhos vermelhos (gene dominante) e
de olhos brancos. Entretanto nem toda a progênie era de olho
vermelho. Quando cruzava machos de olho vermelho da geração F1
com suas irmãs fêmeas de olho vermelho produzia somente ¼ de
machos de olho branco mas nenhuma fêmea de olho branco. Para
uma explicação desse resultado a cor de olho nessa mosca deveria
ser ligada ao sexo. Então existiriam cromossomos sexuais que
carregariam genes como os da coloração de olhos. Observando essa
e outras características com o mesmo padrão de segregação em
Drosophila: asas pequenas (Miniature), cor de corpo amarela (Yelow),
Morgan trouxe, portanto, como evidência da Teoria Cromossômica da
Herança, os padrões de segregação dos genes ligados aos
cromossomos sexuais em Drosophila.
Embora W. Waldeyer (1888) tenha sido quem usou o termo
cromossomo pela primeira vez, foi W. C. Von Nageli (1842) quem
primeiro os observou, mas foi W. Fleming (1879-1875) que utilizando
novas técnicas de coloração os descreveu, denominando essa
substância existente no núcleo de cromatina.
Foi O. Hertwig(1875) quem primeiro referiu a fusão do esperma
com o ovo para formar o zigoto.
A identificação dos cromossomos como carregadores dos genes
foi rapidamente demonstrada em trabalhos de 1880 de T. Boveri, K.
Rabi e E. Van Breden, e mais tarde evidenciadas em publicações de
Mc.Clung (1902), W.S.Sutton (1903), T.Boveri (1904), E.B.Wilson
(1905).
Em 1885, A. Weissmann já afirmava que a herança era baseada
exclusivamente no núcleo e em 1887 predizia a ocorrência e uma
divisão redutora que denominou de meiose.
Em 1890, O. Hertwig e T. Boveri descreviam o processo de
meiose em detalhe.
Em 1913, A. Sturtevant criava o primeiro mapa genético usando
as características de Drosophila melanogaster. Demonstrava que os
genes existiam em ordem linear nos cromossomos.
Em 1927, L. Stadler e H. J. Muller demonstravam que os genes
podiam ser originados artificialmente ou induzidos por mutações
usando radiações ionizantes como o Raio-X.
Os
cromossomos
de
eucariotes
são
formados
por
nucleoproteinas, as histonas e não histonas associadas a DNA.
Possuem em sua estutura dois braços separados por uma constrição
primário ou centrômero, e ainda constricções secundárias que
separam eventuamente o braço cromossômico de uma pequena
região chamada de satélite. No M.E., um cromossomo na fase
descondensada e com atividade de síntese de RNA, pode ser
observado com um estrutura de contas em colar (os nucleossomos)
constituídos de DNA enrolado (core DNA) em uma bola de 4 pares de
histonas,H2A,H2B,H3 e H4, (core Histona) que juntos constituem cada
nucelossomo. Observe o esquema na figura a seguir.
DNA
histona H1
nucelossomo
conjunto de 8 moléculas de histonas
visualização esquemática de um nucleossomo
Dentro da região do centrômero existem regiões onde no
processo de divisão celular os fusos acromáticos se ligam. O lugar
onde ocorre essa ligação é o Kinetocoro, região constituída de DNA e
proteina, a sequência de DNA dessa região é chamada de CEN DNA,
que possui comprimento de 120 pares de base e está constituído de
várias sub-regiões, CDE-I, CDE-II e CDE-III.
Quando ocorrer uma
mutação pontual na região III, isso elimina a possibilidade do
centrômero funcionar na segregação do cromossomo
durante a
divisão celular. Atualmente foram evidenciados 3 tipos de proteinas
que pertencem a essa região. esse complexo de proteinas é
denominado Cbf-III. Esse complexo se liga a região III normal mas não
tem capacidade de se ligar a essa região III mutada. Outra estrutura
típica do cromossomo do eucarote é a região terminal do cromossomo
chamada de telômero. Telomeros são as regiões de DNA terminal do
cromosssomo,
usualmente heterocromáticas e constituídas de
sequências repetidas tandemicamente (com as mesmas sequências
de bases).
Algumas sequências repetidas de Telomeros
Espécie
Homem
Tripanosoma
Leveduras
Sequência
TTAGGG
TAGGG
(TG)1-3 TG2-3
Uma técnica utilizada para estudo da complexidade dos
cromossomos de diferentes espécies consiste em desnaturar o seu
DNA e após renaturar o mesmo. A taxa de renaturação ou
reanelamento do DNA é uma função da espécie da qual ele foi
isolado. No gráfico abaixo, podemos observar essa propriedade, onde
no eixo Y temos a percentagem de DNA de filamento simples (C) em
relação a concentração total de DNA iniciador (Co). No eixo X temos
em escala logaritimica o resultado do produto da concentração inicial
de DNA (mmoles/l) pelo tempo da reação (Seg.), desinado como valor
Cot. A curva obtida é chamada por conseguinte curva Cot. Um valor
útil é o valor Cot 1/2, o valor Cot onde o DNA teve 50% de
renaturação.
VIRUS E. COLI
LEVEDURA
%
C
D
N
A
Na fase larval de insetos ainda podemos encontrar um tipo
especial de cromossomos. São cromossomos gigantes resultantes da
grande duplicação de DNA, chamados de cromossomos politênicos. A
D. melanogaster tem sido estudada quanto a atividade do padrão de
puffs de RNA ( anéis de Balbiani), nos diversos estágios larvais para
cada um dos 2 braços de cada um dos 4 pares de cromossomos,
permitindo com isso estabelecer relações taxonomicas entre as
diversas populações estudadas. Entre os principais citogeneticistas
nessa área pode ser citado M. Ashburner.
cromossomos politênicos de Drosophila
Em oócitos de anfíbio ainda tem sido descrito um outro tipo de
cromossomo em eucariote, são os cromossomos plumosos que
embora não ativos
em transcrição de RNA, durante os últimos
estágios da prófase I meiótica, esses oócitos depositam grande
quantidade
de
gema
e
crescem
muito,
nesse
período,
os
cromossomos crescem muito em comprimento até 100 vezes mais
longo que um cromossomo mitótico, possuindo inúmeras alças laterais
como pode ser visualizada na foto abaixo.
cromossomos pumosos de Triturus sp.
Depois da redescoberta dos experimentos de Mendel, dois dos
primerios geneticistas, Bateson e De Vries (Mendelianos) propuseram
que caracteres contínuos como altura, não eram herdáveis e que
somente as grandes variações descontínuas eram causadas por
genes. Galton, primo de Drawin, na segunda metade do Século XIX,
fundava um grupo que procuraria explicar a origem das diferenças
físicas e mentais no homem. Algumas dessas características eram
métricas, como de indivíduos mais baixos produzindo descendentes
mais baixos que a média da população, mostravam uma condição de
herança. Técnicas biométricas foram então desenvolvidas, tais como
como correlação e
padrão das
regressão. Os biométricos, observando que o
características quantitativas eram uma mescla das
características da geração anterior, se opunham a idéia de unidades
de herança segregando em separado. Johansen, em uma análise
detalhada do tamanho e peso de sementes de cultivares de Phaseolus
vulgaris (feijão), separou pelo peso diferentes tipos de linhagens
desde as mais leves (15cm) até as mais pesadas (90cm). A
autopolinização permitiu uma fácil obtenção de linhagens altamente
consanguíneas e homozigotas e com grande uniformidade. Em 1906
Yule, a partir dos experimentos de Johansen, sugeriu que a variação
quantitativa podia ser determinada um número grande de loci de
genes, cada um deles com um efeito individual pequeno. Mais tarde
Nilson-Ehle demonstraram uma segregação e transmissão real de
genes com efeitos quantitativos. Eles mostraram que havia 3 pares de
genes na determinação da cor grão do trigo, sendo os genes A,B e C
para a cor roxa dominantes sobre os genes a,b e c para cor branca.
Consideraram
três
hipóteses,
na
proporção
esperada
de
descendentes entre heterozigotos (1 par de genes, com 3 roxos :1
branco; dois pares, com 15 roxos : 1 branco e 3 pares de genes com
63 roxos para 1 branco, o que verdadeiramente ocorria).
Em 1930 e 1932, R. A. Fisher, S. Wright e J.B.S. Haldane
desenvolveram os fundamentos algébricos para a compreensão do
processo evolutivo e de caracteres quantitativos. Fisher foi mais além,
desenvolvendo
os fundamentos da análise de variância em
delineamentos experimentais com a avaliação dos
efeitos sobre
variáveis respostas em experimentos agronômicos.
Em 1912, Feulgen introduz a técnica de coloração do DNA
cromossômico com especificidade técnica denominada
reação de
Feulgen que permitiu a realização de inúmeros estudos de
quantificação de DNA.
A importância biológica do DNA e RNA como material genético
começou a ser demonstrada a partir dos trabalhos de Griffith(1928)
com bactérias não patogênicas transformadas em patogênicas quando
misturadas com patogênicas mortas pelo calor.
Em 1944, D.T Avery, C.M. Mac Leod e M. Mac Carty
demonstraram que esse princípio transformante era o DNA. Em 1953,
J. Watson e F. Crick demonstraram a estrutura de dupla hélice do
DNA.
A partir da década de 1960, entre 1968 e 1973 W. Arber, H.
Smith, D. Nathans e outros descobriram endonucleases de restrição,
enzimas que permitiam o corte de pedaços de DNA e sua
manipulação
iniciando-se
possibilidade
de
a
manipular
era
da
genes
Engenharia
através
de
Genética.
A
técnicas
de
recombinação de DNA permitiu que P. Berg em 1972 criasse a
primeira molécula de DNA recombinante.
Em Eucariotes ou organismos que possuem núcleo definido e
cujo material genético é o DNA,
foram descobertas sequências
espaçadoras ou introns, essas sequências são genes que são
transcritos em RNA mas nunca são transladados do núcleo para o
citoplasma. São removidas do RNA antes de seu transporte para o
citoplasma.
Os
introns
foram
descobertos
por
P.
Sharp
e
colaboradores (1977).
Os segmentos do gene entre introns são transcritos e
transladados para o citoplasma e denominados exons. O resultado da
remoção de um intron pode ser visto quando o RNA mensageiro ou
m-RNA é hibridizado ao DNA de onde o intron foi removido. O DNA
forma estruturas de dupla cadeia para o exon no RNA. Como o intron
não tem nada a parear, ele forma estruturas de cadeias simples. Para
um intron ser removido ele deve ser cortado ou sofrer o processo de
“splicing”. Esse processo pode ser através do auto - splicing
descoberto por T. Cech (1982), que demonstrou que o RNA pode ter
propriedades catalíticas. O intron nesse caso age com propriedades
catalíticas e o RNA com atividade enzimática pode ser chamado de
ribozima.
Os introns com auto-splicing são chamados de introns
do
grupo I. Os introns do grupo II, do RNA nuclear de eucariotes, são
removidos com a ajuda de proteinas através de
partículas
de
RNA-proteina chamadas de spliceossomas. Esse tipo de intron foi
descoberto por J. Abelson e E. Brody.
Os componentes do mecanismo de splicing são
pequenas
ribonucleoproteinas nucleares ou snRNPs (small nuclear ribonucleo
proteins) e pronunciadas “snurps” assim denominadas por J. Steitz e
colaboradores. Cerca de 5 dessas partículas tomam parte no
mecanismo de splicing, cada uma delas composta de uma ou mais
proteinas e uma pequena molécula de RNA, sendo designadas por
U1,U2,U4,U5 e U6. As moléculas de RNA variam de tamanho (de 100
a 215 bases). Existem ainda introns do grupo II, mitoncondriais.
Finalmente existe ainda exemplos de sequências de DNA que
não predizem a sequência de proteina mesmo após a remoção de
introns. Isso ocorre pela inserção ou deleção no RNA mensageiro de
nucleotídeos antes que ele seja transladado. Essa inserção ou
deleção é quase que exclusiva de uridinas(Us). O processo é
chamado de edição de RNA. Esse processo foi particularmente
evidenciado para síntese de proteinas mitocondriais de um grupo de
parasitas, os Trypanosomos. Em um caso, mais que 50% dos
nucleotídeos do m-RNA foram por adição de uridinas. As uridinas
estavam também deletadas quando comparadas ao gene original.
Esses parasitos tem outra característica, possuem mini - círculos e
maxi - círculos de DNA nas mitocôndrias especializadas, chamadas
cinetoplastos ou “kinetoplastlos”. Em média os kinetoplastos contém
50 maxi - círculos e 5000 mini - círculos concatenados como ligações
em cadeia. Esses achados foram evidenciados por L. Simpson
e
colaboradores (1990). Ambos os maxi - círculos e mini - círculos são
fôrmas para um RNA “guia” (gRNA), um s-RNA que guia o processo
de edição do RNA mensageiro.
O dogma central original da informação genética previa o fluxo
de informação do DNA-RNA-Proteina.
Pensava-se que esse esquema, da informação sair do DNA para
editar sequências de proteinas, fosse inviolável. O sentido inverso da
informação RNA-DNA entretanto foi evidenciado em vírus causadores
de tumores como o linfosarcoma de Rous, tanto como o vírus da AIDS
que fazem uma polimerase de DNA dependente de RNA conhecida
como transcriptase reversa, capaz de sintetizar DNA a partir de
moldes de RNA viral descobertos por H. Temin e D. Baltimore.
Uma segunda modificação do dogma central original foi dada
pela possibilidade do RNA agir como molde para sua própria
replicação, um processo observado em uma pequena classe de
bacteriófagos como o R17,f2,MS2 e o Q. Esses fagos de RNA são os
mais simples fagos conhecidos.
capítulo 1
Exercícios e Problemas
1. Observe o esquema anterior e procure em bibliografia uma hipótese
plausível para explicar a origem das células procariotes e
eucariotes.
2. Monte um esquema com sequência de nucleotídeos características
do DNA, RNA e uma sequência de aminoacidos que seriam
formados correspondentes a sequência proposta com base nos
conecimentos do código genético.
3. Diferencie um cromossomo de procariote de um cromossomo de
eucariote.
4. Faça um esquema do processo de divisão mitótica.
5. Faça um esquema do processo de divisão meiótica.
6. Para o cariótipo humano caracterize
um homem normal
uma mulher normal
um homem com síndrome de Klinefelter.
uma mulher com síndrome de Down.
7. Mostre para Drosophila melanogaster o numero cromossômico de
uma fêmea com 3X, e uma XO.
8. Caracterize um Intron. Exemplifique.
9. Quando voce supeita a ocorrência de um intron?
10. Explique o mecanismo genético de certas células cancerígenas.