Conceitos de genética (9a. ed.)

Autor(es): Klug, William S.
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29 capítulos

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1 Introdução à genética

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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

 

2 Mitose e meiose

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Cromossomos na fase de prometáfase da mitose, originados de uma célula da flor de Haemanthus.

2

Mitose e

Meiose

CONCEITOS

A continuidade genética entre as gerações de células e entre as gerações de organismos que se reproduzem sexuadamente é mantida por meio dos processos de mitose e meiose, respectivamente.

As células eucarióticas diploides contêm sua informação genética em pares de cromossomos homólogos, nos quais um membro de cada par é derivado do genitor materno, e o outro, do genitor paterno.

A mitose propicia um mecanismo pelo qual os cromossomos, já duplicados, são distribuídos para as células descendentes durante a reprodução celular.

A mitose converte uma célula diploide em duas células-filhas diploides.

O processo da meiose distribui um membro de cada par de cromossomos homólogos para cada gameta ou esporo, reduzindo, desse modo, o número diploide de cromossomos ao seu número haploide.

A meiose gera variabilidade genética mediante distribuição de várias combinações de membros maternos e paternos de cada par de cromossomos homólogos aos gametas ou esporos.

 

3 Genética mendeliana

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3.2 O CRUZAMENTO MONO-HÍBRIDO REVELA COMO UMA CARACTERÍSTICA É TRANSMITIDA DE GERAÇÃO A GERAÇÃO

E

mbora a herança de características biológicas tenha sido reconhecida há milhares de anos, as primeiras percepções significativas a respeito de como ela acontece ocorreram somente há cerca de 140 anos. Em

1866, Gregor Johann Mendel publicou os resultados de uma série de experimentos que lançariam a base para a disciplina formal de genética. O trabalho de Mendel passou longamente despercebido até a virada do século, mas, por fim, foi estabelecido o conceito do gene como uma unidade hereditária distinta. Desde então, foram esclarecidos os modos em que os genes, como segmentos dos cromossomos, são transmitidos à prole e controlam as características. As pesquisas continuaram inquebrantáveis ao longo do século XX e do presente – na verdade, os estudos de genética, mais recentemente em nível molecular, têm permanecido na vanguarda das pesquisas biológicas desde o início da década de 1900.

Quando Mendel começou seus estudos sobre a herança usando Pisum sativum, a ervilha-de-jardim, os cromossomos e o papel e o mecanismo da meiose eram totalmente desconhecidos.

 

4 Extensões da genética mendeliana

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4.1

OS ALELOS ALTERAM OS FENÓTIPOS DE DIFERENTES MODOS

N

o Capítulo 3, discutimos os princípios fundamentais da genética da transmissão. Vimos que os genes estão presentes em cromossomos homólogos e que esses cromossomos se segregam um do outro e se distribuem independentemente dos outros cromossomos segregantes durante a formação de gametas. Esses dois postulados são os princípios básicos da transmissão genética de genitor para prole. Uma vez que a prole tenha recebido o conjunto total de genes, é a expressão desses genes que determina o fenótipo do organismo. Quando a expressão gênica não segue um modo simples de dominância/recessividade, ou quando mais de um par de genes influencia a expressão de uma única característica, as proporções clássicas 3:1 e 9:3:3:1 da F2 são geralmente modificadas. Neste capítulo e nos próximos, consideramos modos de herança mais complexos. Apesar da maior complexidade dessas situações, os princípios fundamentais estabelecidos por

Mendel ainda se mantêm.

Neste capítulo, restringimos nossa discussão inicial à herança de traços controlados apenas por um conjunto de genes. Em organismos diploides, que têm pares homólogos de cromossomos, duas cópias de cada gene influenciam esses traços. As cópias não precisam ser idênticas, dado que ocorrem formas alternativas de genes, os alelos, nas populações. Como esses alelos influem nos fenótipos será nosso foco principal. Consideraremos, depois, a interação gênica, uma situação em que um único fenótipo é afetado por mais de um conjunto de genes. Serão apresentados numerosos exemplos para ilustrar diversos padrões hereditários observados em tais situações.

 

5 Mapeamento cromossômico em eucariontes

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106

CAPÍTULO 5

MAPEAMENTO CROMOSSÔMICO EM EUCARIONTES

W

alter Sutton, juntamente com Theodor Boveri, foi atuante em unificar os campos da citologia e da genética. Já em 1903, Sutton salientou a probabilidade de que deveriam existir muito mais “fatores unitários” do que cromossomos na maioria dos organismos. Logo depois, os estudos genéticos com vários organismos revelaram que certos genes segregam como se estivessem, de certa forma, unidos ou ligados. As investigações posteriores mostraram que esses genes fazem parte do mesmo cromossomo e podem, na verdade, ser transmitidos como uma só unidade. Agora sabemos que a maioria dos cromossomos contém um vasto número de genes. Os genes que fazem parte do mesmo cromossomo são considerados ligados e demonstram ligação nos cruzamentos genéticos.

Uma vez que é o cromossomo, não o gene, a unidade de transmissão durante a meiose, os genes ligados não estão livres para experimentar a distribuição independente. Ao contrário, os alelos de todos os locus de um cromossomo teoricamente devem ser transmitidos como uma unidade durante a formação de gametas. No entanto, em muitas ocasiões, isso não ocorre. Conforme vimos no

 

6 Análise genética e mapeamento em bactérias e bacteriófagos

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Fotomicrografia eletrônica de transmissão de E. coli em conjugação.

6

Análise

Genética e

Mapeamento em Bactérias e

Bacteriófagos

CONCEITOS

Os genomas bacterianos são compostos, mais frequentemente, de um único cromossomo circular.

As bactérias desenvolveram numerosos meios de trocar e recombinar as informações genéticas entre as células individuais, incluindo a conjugação, a transformação e a transdução.

A capacidade de sofrer conjugação e transferir o cromossomo bacteriano de uma célula para outra é comandada pela informação genética contida no DNA de um fator de “fertilidade”, ou fator F.

O fator F pode existir autonomamente no citoplasma bacteriano como um plasmídeo, ou pode integrar-se ao cromossomo bacteriano, onde facilita a transferência do cromossomo hospedeiro para a célula receptora, ocasionando a recombinação genética.

A recombinação genética durante a conjugação fornece um meio de mapear os genes bacterianos.

Os bacteriófagos são vírus que têm as bactérias como suas hospedeiras.

 

7 Determinação do sexo e cromossomos sexuais

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Cromossomos X humanos evidenciados por meio de hibridização in situ por fluorescência (FISH), um método em que sondas específicas se ligam a sequências específicas de

DNA. A sonda que produz fluorescência verde se liga ao DNA dos centrômeros do cromossomo X. A sonda que produz fluorescência vermelha se liga à sequência de DNA do gene da distrofia muscular de Duchenne

(DMD), um gene ligado ao X.

7

Determinação do Sexo e

Cromossomos

Sexuais

CONCEITOS

A reprodução sexuada, que aumenta imensamente a variação genética das espécies, necessita de mecanismos que resultem em diferenciação sexual.

Uma ampla variedade de mecanismos genéticos leva ao dimorfismo sexual.

Frequentemente, genes específicos, em geral localizados em um único cromossomo, causam masculinização ou feminilização durante o desenvolvimento.

Em humanos, a presença de um cromossomo extra X ou Y além do número diploide pode ser tolerada, mas muitas vezes causa síndromes que demonstram fenótipos distintivos.

Embora a segregação dos cromossomos determinantes do sexo teoricamente deva resultar na proporção de 1:1 de machos e fêmeas, em humanos a proporção real na concepção favorece notavelmente os homens.

 

8 Mutações cromossômicas: variações no número e no arranjo dos cromossomos

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Cariotipagem espectral dos cromossomos humanos, utilizando sondas de pintura cromossômica marcadas diferencialmente.

8

Mutações

Cromossômicas:

Variações no

Número e no

Arranjo dos

Cromossomos

CONCEITOS

A falha na separação adequada dos cromossomos durante a meiose resulta em variação no conteúdo cromossômico dos gametas e subsequentemente na prole que se origina desses gametas.

Frequentemente, as plantas toleram um conteúdo genético anormal; como consequência, muitas vezes manifestam fenótipos singulares. Essa variação genética foi um importante fator na evolução vegetal.

Nos animais, as informações genéticas se encontram em um delicado equilíbrio segundo o qual o ganho ou a perda de um cromossomo, ou de parte de um cromossomo, em um organismo diploide sob os demais aspectos, causa letalidade ou um fenótipo anormal.

O rearranjo das informações genéticas no genoma de um organismo diploide pode ser tolerado por esse organismo, mas pode afetar a viabilidade dos gametas e os fenótipos dos organismos originados por esses gametas.

 

9 Herança extranuclear

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228

CAPÍTULO 9

HERANÇA EXTRANUCLEAR

A

o longo da história da genética, alguns relatos ocasionais desafiaram o princípio básico da genética da transmissão mendeliana – o de que o fenótipo é resultante da transmissão de genes nucleares localizados nos cromossomos de ambos os genitores. Certas observações revelaram padrões de herança que falham em refletir os princípios mendelianos, e algumas indicam uma aparente influência extranuclear no fenótipo. Antes de ser firmemente estabelecido o papel do DNA na genética, essas observações eram em geral consideradas com ceticismo. No entanto, com o crescente conhecimento da genética molecular e a descoberta do DNA em mitocôndrias e cloroplastos, atualmente a herança extranuclear é reconhecida como um importante aspecto da genética.

Há diversas modalidades de herança extranuclear. O principal tipo, referido acima, é também descrito como herança organelar. Nesse tipo de herança, o DNA contido nas mitocôndrias ou nos cloroplastos determina certas características fenotípicas da prole. Os exemplos frequentemente são reconhecidos com base na transmissão uniparental dessas organelas, normalmente do genitor feminino, por intermédio do óvulo, para a prole. Um segundo tipo, chamado herança infecciosa, resulta de uma associação simbiótica ou parasítica a um microrganismo.

 

10 Estrutura e análise do DNA

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246

CAPÍTULO 10

ESTRUTURA E ANÁLISE DO DNA

A

té este ponto no texto, descrevemos os cromossomos, como contendo os genes que controlam os traços fenotípicos transmitidos pelos gametas à prole futura. Logicamente, os genes devem conter algum tipo de informação que, quando passado a uma nova geração, influencia a forma e as características de cada indivíduo. Denominamos essa informação de material genético.

A lógica também sugere que essa mesma informação orienta, sob alguns aspectos, os inúmeros processos complexos que resultam na forma adulta de um organismo.

Até 1944, não se sabia que componente químico do cromossomo constituía os genes e o material genético. Em razão de se saber que os cromossomos tinham um ácido nucleico e um componente proteico, ambos eram candidatos. No entanto, em

1944, surgiu uma evidência experimental direta, mostrando que o ácido nucleico DNA serve como base de informações para o processo da hereditariedade.

Uma vez compreendida a importância do DNA para os processos genéticos, intensificaram-se os trabalhos, com a esperança de ser conhecida não somente a estrutura dessa molécula, mas também a relação entre sua estrutura e sua função. Entre 1944 e 1953, muitos cientistas tentaram conseguir informações que pudessem responder à questão mais significativa e instigante na história da biologia: de que modo o DNA funciona como a base genética dos processos vivos? Os pesquisadores acreditavam que essa resposta devia depender decididamente da estrutura química da molécula de DNA, dadas as funções complexas, mas ordenadas, que lhe são atribuídas.

 

11 Replicação e recombinação do DNA

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Micrografia eletrônica de transmissão do DNA humano de uma célula HeLa, ilustrando uma forquilha de replicação característica de replicação ativa do DNA.

As células HeLa consistem em uma linhagem de células humanas “imortais” usadas amplamente em pesquisas.

11

Replicação e

Recombinação do DNA

CONCEITOS

A continuidade genética entre as células parentais e as células-filhas

é mantida pela replicação semiconservativa do DNA, como é predito pelo modelo de Watson-Crick.

A replicação semiconservativa utiliza cada fita da hélice dupla parental como molde, e cada hélice dupla recém-replicada inclui uma fita “antiga” e uma “nova” de DNA.

A síntese de DNA é um processo complexo, mas organizado, ocorrendo sob a orientação de uma infinidade de enzimas e outras proteínas.

A síntese de DNA envolve a polimerização de nucleotídeos em cadeias polinucleotídicas.

A síntese de DNA é semelhante em procariontes e eucariontes, porém mais complexa nos eucariontes.

Em eucariontes, a síntese de DNA nas extremidades dos cromossomos representa um problema especial, solucionado por regiões terminais chamadas telômeros e uma enzima específica que contém

 

12 Organização do DNA em cromossomos

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12.1

OS CROMOSSOMOS VIRAIS E BACTERIANOS SÃO MOLÉCULAS DE DNA RELATIVAMENTE SIMPLES

A

ssim que os geneticistas compreenderam que o DNA contém as informações genéticas, concentraram suas energias em descobrir como o DNA está organizado em genes e como essas unidades básicas da função genética estão organizadas em cromossomos. Em resumo, as próximas questões importantes que eles tentaram resolver diziam respeito a como o material genético está organizado dentro do genoma. Esses aspectos têm um significado em muitas

áreas de investigação genética. Por exemplo, os modos de variação da organização genômica em diferentes organismos – dos vírus

às bactérias e aos eucariontes – sem dúvida proporcionarão uma compreensão melhor da evolução dos organismos na Terra.

Neste capítulo, focalizamos as várias maneiras de organização do DNA em cromossomos. Essas estruturas foram estudadas por meio de numerosas técnicas, instrumentos e abordagens, incluindo a análise por microscopia óptica e eletrônica. Mais recentemente, a análise molecular propiciou significativas percepções quanto à organização cromossômica. Na primeira metade do capítulo, após analisar o que sabemos sobre os cromossomos de vírus e bactérias, examinamos as grandes estruturas eucarióticas especializadas chamadas cromossomos politênicos e plumosos.

 

13 Tecnologia do DNA recombinante e clonagem gênica

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Uma placa de Petri revelando a multiplicação de células hospedeiras após o recebimento de plasmídeos recombinantes.

13

Tecnologia do DNA

Recombinante e Clonagem

Gênica

CONCEITOS

A tecnologia do DNA recombinante produz combinações artificiais de moléculas de DNA, comumente a partir de duas fontes diferentes, com maior frequência de espécies diferentes.

A tecnologia do DNA recombinante depende, em parte, da capacidade para clivar e reunir os segmentos de DNA em sequências de bases específicas.

A aplicação mais útil da tecnologia do DNA recombinante é na clonagem de um segmento de DNA de interesse.

Para a clonagem, os segmentos específicos de DNA são inseridos em vetores (como os plasmídeos), que são transferidos para células hospedeiras (como as células bacterianas), onde as moléculas recombinantes se replicam quando as células hospedeiras se dividem.

As moléculas recombinantes podem ser clonadas em células hospedeiras procarióticas ou eucarióticas.

Os segmentos de DNA podem ser rápida e eficientemente amplificados milhões de vezes, usando-se a reação em cadeia da polimerase

 

14 O código genético e a transcrição

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PARTE

III

Micrografia eletrônica de um segmento de DNA que está sendo transcrito.

14

O Código

Genético e a

Transcrição

CONCEITOS

A informação genética é estocada no DNA através de um código de trincas, que é semiuniversal para todos os seres vivos da Terra.

Primeiro, o código genético é transferido do DNA para o RNA, no processo de transcrição.

Depois de transferido para o RNA, o código genético passa a existir como um código de trincas, as quais são conjuntos de três nucleotídeos em que cada nucleotídeo é um dos quatro tipos de ribonucleotídeos que compõem o RNA.

Assim como em um alfabeto de quatro “letras”, os quatro ribonucleotídeos de RNA podem ser combinados em 64 diferentes combinações de sequências de três letras. A maioria das trincas do RNA codifica um dos 20 aminoácidos presentes em proteínas, as quais são o produto final da maioria dos genes.

Vários códons funcionam como sinais para a iniciação e a terminação da síntese proteica.

Embora mais complexo, o processo de transcrição dos eucariontes

 

15 Tradução e proteínas

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Estrutura cristalina do ribossomo de 70S de Thermus termophilus contendo três RNAs transportadores ligados.

Reproduzido da capa da

Science, vol. 292, de 4 de maio de 2001. Crystal structure of a thermus thermophilus 70s ribossome containing three bound transfer RNAs (top) and exploded views showing its different molecular components

(middle and bottom). Imagem fornecida pelo Dr. Albion

Baucon (baucon@biology. ucsc.edu). Direito autoral de

American Association for the

Advancement of Science.

15

Tradução e

Proteínas

CONCEITOS

A sequência de ribonucleotídeos do RNA mensageiro (mRNA) reflete a informação genética armazenada no DNA de genes e corresponde às sequências de aminoácidos nas proteínas codificadas por esses genes.

O processo de tradução decodifica a informação do mRNA, levando à síntese das cadeias polipeptídicas.

A tradução envolve interações entre mRNA, tRNA, ribossomos e diversos fatores de tradução, que são essenciais na iniciação, no alongamento e na terminação da cadeia polipeptídica.

 

16 Mutação gênica e reparação do DNA

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Eritrócitos mutantes provenientes de um indivíduo com doença das células falciformes.

16

Mutação

Gênica e

Reparação do DNA

CONCEITOS

A mutação é a fonte da variação genética e a base para a seleção natural. Ela também é a fonte do dano genético que contribui para a morte celular, as doenças genéticas e o câncer.

As mutações têm grande variedade de efeitos nos organismos, dependendo do tipo e da localização das modificações nos nucleotídeos, no gene e no genoma.

As mutações podem ocorrer espontaneamente, em consequência de processos biológicos e químicos naturais, ou podem ser induzidas por fatores externos, tais como agentes químicos ou radiações.

As taxas de mutações espontâneas variam entre organismos e entre genes de um mesmo organismo.

Para contrabalançar as mutações, os organismos dependem de vários mecanismos de reparação do DNA. Esses mecanismos vão desde a correção dos erros de replicação até a excisão de bases e a reparação por recombinação homóloga.

Mutações em genes cujos produtos controlam a reparação do DNA levam à hipermutabilidade do genoma e a doenças humanas de reparação do DNA, como o xeroderma pigmentosa.

 

17 Regulação da expressão gênica em procariontes

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Modelo que demonstra como o repressor lac (em vermelho) e a proteína ativadora de catabólito (em azul escuro, no centro da alça de DNA) se ligam ao promotor do

óperon lac, criando uma alça de repressão de 93 pares de bases no DNA regulador do lac.

17

Regulação da Expressão

Gênica em

Procariontes

CONCEITOS

Em bactérias, a regulação da expressão gênica frequentemente está vinculada às necessidades metabólicas da célula.

Em bactérias, a eficiência em expressar a informação genética depende do intrincado mecanismo de regulação que exerce controle sobre a transcrição.

Os mecanismos reguladores da transcrição são classificados conforme exerçam controle positivo ou negativo sobre a expressão gênica.

Os genes procarióticos que codificam proteínas com funções relacionadas tendem a se organizar em grupamentos que frequentemente estão sob um controle coordenado. Esses grupamentos são chamados óperons e incluem as sequências reguladoras que estão adjacentes.

Nos óperons, a transcrição dos genes pode ser induzida ou reprimida.

 

18 Regulação da expressão gênica em eucariontes

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Territórios cromossômicos em um núcleo de uma célula de galinha. Cada cromossomo é corado por uma sonda de cor diferente.

18

Regulação da Expressão

Gênica em

Eucariontes

CONCEITOS

Em eucariontes, a expressão da informação genética é regulada por mecanismos que exercem controle sobre a transcrição, a estabilidade do mRNA, a tradução e as modificações pós-traducionais.

A regulação gênica em eucariontes é mais complexa do que a regulação gênica em procariontes.

A organização da cromatina eucariótica no núcleo desempenha um papel na regulação da expressão gênica. A cromatina tem de ser remodelada para permitir o acesso às sequências de DNA reguladoras que ela contém.

A iniciação da transcrição em eucariontes exige a reunião de reguladores de transcrição em sítios reforçadores e a reunião de complexos básicos de transcrição em sítios promotores.

A expressão dos genes eucarióticos também é regulada em várias etapas pós-transcricionais, inclusive no encadeamento alternativo do pré-mRNA, no controle da estabilidade do mRNA e no silenciamento do RNA.

 

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