Herança Extranuclear – O DNA Mitocondrial

Herança II
Herança Extranuclear – O DNA Mitocondrial
 Principal função da mitocôndria – é parte fundamental da cadeia
respiratória.
A Origem dos Genes Extranucleares
 A hipótese mais aceita é de que a mitocôndria e o cloroplasto
tenham se originado como endosimbiontes – células de
procariontes que invadiram células ancestrais.
Alguns argumentos em favor dessa hipótese:
Algumas espécies de plantas e leveduras (S. cerevisiae) podem viver
sem essas organelas,
DNA circular,
O mtDNA não possui uma organização em heterocromatina,
Maquinaria própria para síntese de proteínas e diferenças em alguns
códons em relação ao DNA nuclear,
A organela se divide independentemente da divisão nuclear.
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Outras características do mtDNA humano:
Número de cópias por célula – 1 a 45 (dependendo do tipo celular),
Número de genomas por mitocôndria – 10 a 30 (em média 1.000
genomas por célula)
Número de genes por genoma – 37 (13 polipeptídeos, 2 tipos de rRNA
e 22 tRNAs),
Tamanho total de um genoma – 16,5 kb.
 Que doenças podem ser ocasionadas por mutações no mtDNA?
 Que tipo de padrão a herança mitocondrial segue?
Doenças associadas ao mtDNA
Sigla
MERRF Epilepsia
LHON
NARP
MELAS
MMC
Nome
Sintomas
mioclônica com fibras Epilepsia e alterações
vermelhas rompidas
musculares
Neuropatia óptica hereditária de Leber Cegueira permanente ou
temporária por dano do
nervo óptico
Fraqueza músculo neurológica, ataxia e Perda da forca muscular e
retinite pigmentosa
coordenação,
degeneração regional do
cérebro e deterioração da
retina
Encefalomiopatia mitocondrial, acidose Disfunção do tecido
lática
cerebral
Cardiomiopatia e miopatia por herança Deterioração muscular
materna
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Segregação Replicativa do mtDNA
Na divisão celular, as múltiplas cópias do mtDNA em cada uma das
mitocôndrias de uma célula se replicam e se distribuem aleatoriamente
entre as mitocôndrias recém sintetizadas.
As mitocôndrias por sua vez são distribuídas aleatoriamente entre as
duas células filhas.
Homoplasmia e Heteroplasmia
Mutação
Célula Somática Normal
Homoplasmia – célula que recebeu mitocôndrias com um genoma
todo mutante ou todo normal
Heteroplasmia – célula que recebeu mitocôndrias com genoma
mutante e normal
 A freqüência da mutação pode mudar ao longo da vida,
 A observação do fenótipo é dependente da freqüência da
mutação.
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O Padrão da Herança do mtDNA
 Herança materna
Um ovócito maduro possui cerca de 100.000 cópias de mtDNA.
Análise do Heredograma
 Mulheres afetadas transmitem a doença para seus filhos e filhas,
mas homens afetados não podem transmitir a doença.
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 Gargalo genético mitocondrial
 Alguns indivíduos podem não apresentar a doença. Ou porque
não herdaram a organela mutante ou porque a mutação não está
sendo expressa em nível fenotípico.
Distúrbios de Herança Complexa
São doenças causadas pela interação de muitos fatores genéticos e
ambientais
Possuem agregação familiar já que membros de uma mesma família
compartilham sua informação genética e estão expostos às mesmas
condições ambientais do que o restante da população
A interação gene-gene pode ser aditiva ou pode ser complexa
As interações gene-ambiente adicionam ainda mais complexidade as
risco da doença no indivíduo e também ao padrão de herança
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Análise Genética das Doenças de Caracteres Qualitativos
 Agregação Familiar
Indivíduos afetados podem estar agregados em família
Mas a agregação familiar não significa que esta foi resultado de
contribuição genética – o desenvolvimento da doença pode acontecer
por acaso principalmente se esta for comum na população
Cabe ao epidemiologista responder e esta questão
 Concordância e Discordância
Indivíduos concordantes – dois indivíduos da mesma família que
apresentam a doença
Indivíduos discordantes – quando apenas um membro do par de
parentes é afetado
 Medindo a agregação familiar
1. Risco Relativo
A agregação familiar de uma doença pode ser calculada pela seguinte
fórmula:

Prevalência da doença nos
parentes de uma pessoa afetada
r =____________________________
Prevalência da doença na
população em geral
Quanto maior r, maior é a agregação familiar
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A prevalência da população faz parte do cálculo, pois quanto mais
comum for a doença, maior será a probabilidade da agregação ser
apenas uma coincidência
Se r = 1 isso indica que um parente não é mais suscetível a
desenvolver a doença do que qualquer outro indivíduo na população
Doenças
Esquizofrenia
Autismo
Distúrbio maníaco-depressivo (bipolar)
Diabetes melito tipo I
Doença de Crohn
Esclerose múltipla
Relação
Irmãos
Irmãos
Irmãos
Irmãos
Irmãos
Irmãos
r
12
150
7
35
25
24
2. Estudos de Caso-Controle
Nessa forma de avaliação os pacientes (caso) são comparados com
indivíduos escolhidos sem a doença (controle)
Critérios para a escolha dos controles – histórico familiar da doença,
exposição a fatores ambientais, ocupação, localização geográfica e
doenças regressas
Geralmente os cônjuges são usados como controle devido ao seu
pareamento com os casos em idade, etnia e ambiente
Exemplo: em um estudo de Esclerose Múltipla 3,5% dos irmãos de
pacientes com EM também tinham EM, mas a prevalência nos
controles era de 0,2%
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 Determinado a contribuição relativa dos genes e do ambiente
para as doenças complexas
1. Concordância e compartilhamento de alelos entre parentes
Quando os genes são importantes contribuintes para a doença a
freqüência da concordância para a doença aumenta conforme o grau
de parentesco aumenta
Gêmeos monozigóticos são o exemplo mais extremo
Em segundo lugar estão os parentes em primeiro grau (pais e filhos ou
um par de irmãos)
Em um par pai-filho o filho tem em cada locus um alelo em comum
com cada genitor
Para um par de irmãos a situação é a seguinte:
A1A2
A1A3
A1A4
A2A3
A2A4
A1A3
2
1
1
0
A3A4
A1A4
1
2
0
1
A2A3
1
0
2
1
A2A4
0
1
1
2
25% - dois alelos iguais no locus
50% - um alelo igual
25% - nenhum dos alelos iguais
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 Então se os genes predispõe a uma doença é esperado um r
maior para gêmeos MZ e um menor para parentes em primeiro
grau
 r continuará diminuindo conforme diminui o compartilhamento
de alelos entre os parentes mais distantes da família
2. Membros controle não biológicos da família
Uma forma de separar o ambiente familiar da influência genética é
comparar a incidência da doença em membros não biológicos com a
dos parentes biológicos
Em um estudo da EM r foi 40 para parentes biológicos de primeiro
grau e 1 para irmãos ou filhos adotados
Isto sugere que a maior parte da agregação familiar na EM é genética
e raramente tem origem ambiental
3. Estudos com gêmeos
Este é um método comum de separar as influências genéticas das
ambientais
Gêmeos DZ – medição da concordância da doença em parentes que
cresceram em ambientes similares, mas que não compartilham todos
os genes
Gêmeos MZ – comparação de parentes com genótipos quase idênticos
que podem ou não ter sido criados no mesmo ambiente
Exemplo: se um gêmeo MZ tem anemia falciforme o outro gêmeo
também terá
Mas quando um gêmeo MZ tem diabetes melito tipo 1apenas 40% dos
outros gêmeos também terão diabetes tipo 1
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 Concordância da doença menor que 100% em gêmeos MZ é
uma forte evidência de que fatores não genéticos influenciam o
desenvolvimento da doença
O caso onde gêmeos foram criados em ambientes separados é uma
oportunidade de se observar a concordância da doença em indivíduos
com genótipos quase idênticos
Esses estudos são usados com muita freqüência nos distúrbios
psiquiátricos, abuso de substâncias e distúrbios alimentares, onde, em
princípio acredita-se em forte influência ambiental
Exemplo: em um estudo de alcoolismo 5 de 6 pares de gêmeos MZ
que cresceram separadamente eram concordantes para o distúrbio
 Limitações no estudos com gêmeos MZ: rearranjos somáticos
nos loci de Ig, e nos loci de receptores de células T, inativação
aleatória do X, exposições a fatores ambientais deixam de ser os
mesmo quando os gêmeos deixam a casa dos pais,
compartilhamento da placenta durante a gestação
Análise Genética dos Caracteres Quantitativos
1. A distribuição normal
Qualquer medida fisiológica que pode ser mensurada é um fenótipo
quantitativo com média e variância. Ex.: pressão sanguínea, colesterol
sérico, índice de massa corporal etc
Essas características são importantes determinantes de saúde e doença
em uma população
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2. A variação normal
O conceito de variação normal de uma quantidade fisiológica é
fundamental para a medicina clínica
Exemplo: estatura extremamente altas ou baixas, hipertensão,
hipercolesterolemia, obesidade etc são consideradas anormais quando
um valor se encontra claramente fora da variação normal
Para a avaliação da saúde e da doença em crianças medidas como
altura, peso e perímetro cefálico são comparadas com a medida
normal esperada para o sexo e idade
Exemplos de Caracteres Multifatoriais para os quais os Fatores
Genéticos e Ambientais são Conhecidos
1. Doença de Alzheimer (DA)
Doença neurodegenerativa fatal e principal causa de demência em
idosos
Sintomas: perda de memória (crônica e progressiva) e também de
outras funções intelectuais que estão associadas à morte de neurônios
corticais
Fatores de risco para DA: idade, gênero (maior ocorrência no sexo
feminino) e histórico familiar
As placas -amilóides* e os emaranhados neurofibrilares** só podem
ser definitivamente confirmados após a morte com base em achados
neuropatológicos
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*As
placas senis – constituída de agregados de proteínas fibrosas insolúveis
denominadas beta amilóide, as quais se depositam no exterior dos neurônios formando placas
densas. A proteína beta amilóide é um pequeno peptídeo originado como um subproduto da
proteína precursora amilóide (APP), uma proteína transmembranar que provavelmente atua no
desenvolvimento dos neurônios, cujo gene localiza-se na região cromossômica 21q11.2-21.05
(OMIM *104760). Os oligômeros da beta amilóide, quando em altas concentrações, podem se
agregar, sendo estes agregados os responsáveis pela formação das placas senis (HAASS e
SELKOE, 2007).
** Emaranhados neurofibrilares – originam-se da agregação anormal da proteína Tau, cujo
gene (MAPT) localiza-se na região cromossômica 17q21.1 (OMIM +157140). Essa proteína é
expressa nos neurônios e está, em condições normais, associada aos microtúbulos de forma a
estabilizar o citoesqueleto nessas células. Como a maioria das proteínas que se associam a
microtúbulo, Tau é regulada por fosforilação, contudo, nos pacientes com DA, essa proteína
está hiperfosforilada e, em conseqüência, se agrupa na forma de filamentos helicoidais que se
acumulam dentro das células nervosas formando grandes massas de proteína (GOEDERT e
SPILLANTINI, 2006).
Essa doença pode seguir um padrão mendeliano AD – início da
doença ocorre entre a terceira e a quarta década (início precoce)
Ou também um padrão de agregação familiar – acomete indivíduos
após os 60 anos (início tardio)
Gene
APP
Proteína
Localização Porcentagem Padrão de
de DAF
Herança
21q21.3
1 – 2%
AD
Proteína
precursora
amilóide (APP)
PSEN1
Presenilina 1
14q24.3
PSEN2
Presenilina 2
1q42.1
APOE Apolipoproteína
19q13
E
DAF – Doença de Alzheimer Familial
50%
1 – 2%
Não se aplica
AD
AD
Herança
Complexa
 O risco relativo da DA familial está entre 4 e 5
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Apolipoproteína E
Gene mapeado no locus 19q13.2
Possui três alelos – 2, 3 e 4 (diferenciam-se devido a substituições
de arginina por duas cisteínas na proteína)
Funções da apolipoproteína E:
- Como componente da molécula de LDL (lipoproteína de baixa
densidade) e está envolvida no transporte de colesterol no fígado
- Constituinte das placas amilóides na DA
 A presença de pelo menos um alelo 4 no genótipo de um
indivíduo aumenta o risco de desenvolvimento da doença (em
populações norte-americanas e japonesas)
 Mas na população em geral o alelo 4 representa um fator de
predisposição para o desenvolvimento da DA
 Para a DA fatores ambientais parecem ser relevantes já que o
fato de um indivíduo ser homozigoto (44) não garante que
este venha a desenvolver a DA
 Traumatismo cerebral (juntamente com a presença desse alelo)
pode representar um fator ambiental
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2. Malformações Congênitas Multifatoriais
Algumas malformações podem ocorrer como defeitos isolados e não
como parte de uma síndrome e parecem recorrer nas famílias
A agregação familiar e o elevado risco de recorrência em parentes de
um indivíduo afetado são típicos de uma característica complexa
Principais malformações congênitas de herança complexa:
Defeitos do tubo neural
Fenda labial e/ou palatina
Malformações cardíacas congênitas
1. Defeitos do tubo neural (DTN)
 Anencefalia e Espinha Bífida – DTNs que freqüentemente
ocorrem juntas em famílias
Anencefalia – nessa DNT estão ausentes a parte anterior do cérebro,
meninges, calota craniana e pele.
Espinha Bífida – falha na fusão dos arcos das vértebras na região
lombar com vários graus de severidade
 Incidência variável nos nascimentos – redução acentuada nos
últimos anos
 Único fator ambiental causador de DTN – deficiência de ácido
fólico
Percentual sorológico mínimo de ácido fólico durante a gravidez –
200 ug/L
Absorção diária durante a gravidez – 230 ug/dia
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Suplementação de ácido fólico (400 até 800 ug/dia) – deve ser feita
um mês antes da concepção e dois meses após a concepção (período
de formação do tubo neural)
Diagnóstico pré-natal de DTN – detecção de níveis excessivos de alfafetoproteína (AFP) e ultra-sonografia
3. Doença Mental
Afetam 4% de toda a população mundial
 Esquizofrenia e Doença bipolar são as mais severas
Esquizofrenia – anormalidades no pensamento, emoção e
relacionamentos sociais (geralmente associadas à imaginação
delusional)
A contribuição genética é confirmada em estudos de gêmeos e
agregação familiar
O risco de recorrência entre pais e filhos é de 46%
Doença Bipolar – distúrbio de humor onde há alternância entre
elevação de humor (pode estar associado a um comportamento
perigoso) e períodos de depressão
A contribuição genética é confirmada em estudos de gêmeos e
agregação familiar
O risco de recorrência entre pais e filhos é de 50-70%
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