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PROVA DE GENÉTICA
O genoma humano e suas influências nas deficiências
auditivas
- Gene: não existe um conceito que seja aceito por toda a comunidade
científica. A definição principal é a que gene é uma unidade de
informação genética que codifica polipeptídeo ou RNA. Só que o gene
possui uma parte que não codificada nenhuma estrutura. A parte inicial do
gene, uma região chamada promotor, atua como local de ligação da RNA
polimerase para inicio da transcrição e, portanto, pode ou não ser
considerado parte do gene.
- Um mesmo gene pode ser capaz de sintetizar mais de um
tipo de proteína pelo mecanismo do splicing alternativo, que
basicamente cliva partes do mRNA já transcrito,
recombinando-o, para formação de novas sequências dessas
moléculas.
- Famílias de gene: unidades de informação presentes várias vezes no
genoma que codificam uma mesma estrutura.
- Pseudogenes: genes que sofrem modificações e perdem a
função, principalmente para atender à demanda de
necessidades da acordo com cada fase da vida. Exemplo da
hemoglobina: a demanda de oxigênio de um embrião é
diferente da demanda de um indivíduo adulto. Então, a medida
que esse indivíduo cresce, determinados genes são ativados,
enquanto que outros são inativados para otimizar as
necessidades deste indivíduo.
- 1990 – Projeto Genoma Humano: tinha o objetivo de mapear todos os
genes existentes no genoma e determinar toda a sequência do DNA que
compunha os cromossomos humanos. O projeto era público, tinha
duração de 15 anos e contava com a participação de vários paises, cada
um sequenciando uma pequena parte de genoma.
- Em 1998, ainda não havia sido concluida a sequenciação de nenhum
gene inteiro. Neste mesmo ano uma empresa privada ligada ao maior
fabricante de equipamentos sequenciadores de DNA anunciou para o
mundo que iam iniciar os trabalhos para a sequenciação do genoma, e
iriam fazer isso até o ano de 2001. Isso gerou uma preocupação muito
grande, já que, se uma empresa privada sequenciasse o DNA, ela iria
patentear todas as informações obtidas a partir dali.
- Devido a essa pressão, o projeto finalmente começou a “andar”. Em
1999, foi anunciada a sequenciação do primeiro cromossomo, o
cromossomo 22, o menor existente.
- Em 2001, o rascunho do projeto genoma humano foi publicado tanto
pelo iniciativa pública quanto pela privada.
- Em 2003 houve o término oficial do projeto.
- 20 mil genes sequenciados, mas somente 1,5% do genoma
corresponde aos éxons, que são, teoricamente, as regiões codificantes de
proteínas.
- Dos outros 88,5%, 25% corresponde a íntrons e 75% a DNA intergênico.
O termo DNA lixo, muito utilizado a um tempo atrás para se referir a essa
parte do genoma não codificante, no entanto, já não pode mais ser
utilizado. Foi comprovado que essas porções do DNA exercem papel
muito importante na regulação dos genes.
- Mais de 50% do nosso genoma é formado por material repetitivo:
- DNA satélite: repetições longas encontradas no centrômero.
- DNA repetitivo em tandem: sequencias curtas (em torno de 4
bases) que são encotradas várias vezes.
- Microssatélites: são muito utilizados para testes de
paternidade, pois têm uma variação muito grande de um
indíviduo para outro, tornando essas sequencias bastante
específicas.
- Não existe correspondência entre o tamanho do cromossomo com a
quantidade de genes.
- Os cromossomos 21, 18 e 13 são os cromossomos autossômicos com
menor número de genes. Não é coincidência que as três sindromes mais
comuns relacionadas a uma trissomia cromossômica sejam exatamente
as que afetam esses três cromossomos: sindrome de Down, sindrome de
Edwards e sindrome de Patau. Isso ocorre porque há a compatibilidade
com a vida somente nesses casos em que o número de genes é menor.
- Influências dos genes nas deficiências auditivas:
- Mutações de bases em genes que codificam os componentes básicos
para a captação e processamento do som.
- As deficiências auditivas são divididas em sindrômicas e não-
sindrômicas. Nas deficiências sindrômicas, o indivíduo tem uma síndrome
que foi causada por alteração em um cromossomo e um dos sinais dessa
síndrome é a mal formação do canal auditivo, por exemplo. Nas
deficiências auditivas não-sindrômicas, o indivíduo possui, isoladamente,
uma deficiência auditiva. Esses casos são mais frequentes e existem
mais de 100 genes que tem alguma relação com deficiências auditivas.
Basicamente, esses genes codificam proteínas essenciais no processo de
captação do som e transdução dessa mensagem para o cérebro.
- As deficiências mais comuns são autossômicas recessivas.
DNA e estrutura molecular dos cromossomos
- A estrutura do DNA foi completamente descoberta por Watson e
Crick, através de um processo chamado de “construção de
modelo”, na qual eles reuniram os resultados de experimentos
anteriores para formar o modelo de dupla-hélice.
- Informações que já existiam:
- Ele contém três componentes químicos: (1) fosfato, (2)
um açúcar chamado desoxirribose e (3) quatro bases
nitrogenadas: adenina, guanina, citosina e timina.
- Duas das bases, adenina e guanina, tem estrutura de
dois anéis característicos de um tipo de substância chamada de
purina. As outras duas, citosina e timina, tem estrutura de um só
anel, chamada de pirimidina.
- Nucleotídeo: componente básico do DNA (um grupo
fosfato + uma desoxirribose + uma das bases nitrogenadas).
- A quantidade de T é sempre igual a de A, e a
quantidade de C é sempre igual a de G. Contudo, não
necessariamente A + T = C + G.
- A quantidade de purinas (A e G) era igual a quantidade
de pirimidinas (T e C).
- A dupla hélice: a estrutura tridimensional decifrada por Watson e
Crick é composta de duas cadeias lado a lado, antiparalelas (uma
sendo de 5’ 3’ e a outra de 3’ 5’) de nucleotídeos torcidos na
forma de dupla hélice. Os dois filamentos de nucleotídeos são
mantidos juntos por pontes de hidrogênio entre as bases de cada
filamento. O arcabouço de cada
filamento é formado de unidades
alternadas de fosfato e
desoxirribose que são conectadas
por ligações fosfodiéster (conecta
o átomo de carbono 5’ de uma
desoxirribose – que contém o
grupo fosfato – ao átomo de
carbono 3’ da desoxirribose
adjacente – que contém o grupo
OH). A timina se liga a adenina
por duas pontes de hidrogênio,
enquanto que a citosina se liga à
guanina por meio de três pontes
de hidrogênio.
- A estrutura em dupla hélice do DNA permite que esta molécula
seja bastante estável. Em contrapartida, a molécula de RNA, que
é composta por fita única, tem degradação bem mais rápida.
- Estrutura cromossômica em eucariontes: a organização do DNA
em cromossomos na hora da replicação permite que a molécula
de DNA, que é gigantesca, seja dividida de maneira mais rápida.
- Os humanos contêm 22 pares de cromossomos autossômicos e
um par de cromossomos sexuais.
- Níveis de compactação cromossômica:
- 1° nível: enrolamento do DNA em grupos contendo 8
proteínas histonas, que são fixadas para não permitir o seu
desenrolamento por uma proteína histona H1. Cada grupo é
chamado de nucleossomo e a estrutura resultante é parecida com
um colar de contas.
- 2° nível: dobramento e aproximação dos
nucleossomos, formando uma estrutura chamada de solenóide.
3° nível: molécula de DNA altamente condensada.
- Centrômero: local de união das cromátides irmãs e local onde as
fibras do fuso se ligam na hora da separação dessas cromátides.
- Telômero: é uma unidade de repetição curta localizada na
extremidade dos cromossomos que tem função protetiva contra as
enzimas que fazem a degradação do material genético
(exonucleases); além disso, os telômeros marcam a vida útil da
célula, já que seu encurtamento, derivado de cada divisão, sinaliza
para a célula o momento certo da apoptose; ele também evita a
fusão das pontas com outras moléculas de DNA;
- A replicação do DNA:
- Semiconservativa: uma molécula de DNA parental é separada
por enzimas específicas e cada filamento serve de molde para a
síntese de outro filamento que será complementar ao primeiro e
idêntico ao filamento não molde.
- Replicação do material genético de um procarioto: praticamente
idêntico ao de um eucarioto.
OBS: A bactéria possui apenas um cromossomo circular.
- Existe um ponto único de início de replicação, chamada
de origem de replicação, onde a enzima helicase age quebrando
as ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas. A partir
dessa região, a replicação é bidirecional, formando duas forquilhas
de replicação.
- A proteína SSB (proteínas de ligação ao DNA unifilamentar) não
permite que as fitas de DNA que já foram separadas se unam
novamente ou formem grampos, antes da chegada da proteína
que fará a adição dos nucleotídeos (polimerase III).
- Topoisomerase I: Produz quebras numa cadeia do DNA e
permite o giro da cadeia quebrada sobre a cadeia intacta. Depois
ela faz a restauração da ligação fosfodiéster, ligando novamente
as partes que foram separadas. Com isso, ela alivia a tensão
gerada entre as fitas de DNA, gerada pela helicase.
- Topoisomerase II: também alivia a tensão das fitas, mas age
produzindo quebras nas duas cadeias do DNA de uma vez. Após
a quebra, ela prende as extremidades através de ligações
covalentes, passa a dupla cadeia através do corte e sela a quebra.
- DNA polimerase: presente tanto em células procarióticas como
em eucarióticas, é responsável pela polimerização das novas fitas
de DNA. Ela faz isso adicionando nucleotídeos à extremidade 3’
OH da cadeia em crescimento.
Propriedades da enzima:
- Todas as DNA polimerases requerem um molde, o
primer, pois a enzima só consegue agir na presença de
extremidade 3' livre. O primer que é sintetizado pela primase e tem
a característica de ser sequencias compostas por RNA.
- Pareamento complementar das fitas AT e GC.
- A polimerização deverá acontecer no sentido 5'- 3'.
Há três tipos de enzimas catalíticas de DNA polimerase, sendo
que todas elas fazem a síntese de DNA. Contudo, elas possuem
diferenças na eficiência e velocidade de síntese, sendo que a POL
I e POL II participam mais do processo de reparo, enquanto que a
POL III é responsável pela maior parte da síntese.
- DNA polimerase I: tem função corretora (de reparo do
DNA), portanto pode ser exonucleásica 5’3’. Ela também faz a
retirada dos primers (iniciadores) e completa a região com DNA.
- DNA polimerase II: é uma polimerase alternativa de
reparo, mas que também pode replicar DNA quando o filamento
molde é danificado.
- DNA polimerase III: principal sintetizadora do DNA.
- Filamento contínuo e descontínuo:
À medida que a DNA POL III avança, a dupla hélice é
continuamente desenrolada na frente da enzima para expor mais
os filamentos únicos de DNA que atuarão como moldes.
Entretanto, como a DNA polimerase sempre adiciona nucleotídeos
na ponta 3’ crescente, apenas um dos dois filamentos de
polaridade inversa (5’3’) pode servir como molde para a
replicação no sentido da forquilha de replicação. Para esse
filamento, a síntese pode ocorrer de modo contínuo no sentido da
forquilha; o novo filamento sintetizado nesse molde é chamado de
filamento contínuo. A síntese do outro filamento também ocorre
nas pontas crescentes 3’, mas essa síntese está no sentido
“errado”, pois, para esse filamento, a síntese de direção 5’3’
está distante da forquilha de replicação. Portanto, a síntese que se
move afastando-se da forquilha de replicação não pode continuar
por muito tempo. Ela deve ser em seguimentos curtos: a
polimerase sintetiza um segmento e, então, move-se para a ponta
5’ do segmento, onde a forquilha crescente expôs um novo molde,
e começa novamente o processo. Esses trechos curtos de DNA
recém-sintetizado são chamados de fragmentos de Okazaki. Cada
fragmento de Okazaki precisa de seu próprio primer. O novo
filamento formado é chamado de filamento descontínuo.
- DNA ligase: faz a junção das pontas 3’ do DNA preenchedor do
espaço onde havia o primer (que já foi retirado pela POL I) à ponta
5’ do fragmento de Okazaki posterior.
- Importância do telômero:
A replicação da molécula linear de DNA em um cromossomo
eucariótico ocorre em ambas as direções a partir de várias origens
de replicação. Esse processo replica a maioria do DNA
cromossômico, mas há um problema inerente em replicar as duas
pontas das moléculas lineares de DNA, as regiões chamadas de
telômeros. A síntese contínua do filamento contínuo pode ocorrer
até a ponta do molde. Entretanto, a síntese do filamento
descontínuo requer primers à frente do processo; logo, quando o
último primer é removido, resta uma ponta unifilamentar em uma
molécula filha de DNA. Se o cromossomo-filho com essa molécula
de DNA fosse replicado novamente, o filamento faltando
sequencias na ponta seria uma molécula bifilamentar encurtada
após a replicação. A cada ciclo subsequente de replicação, o
telômero continuaria a se encurtar, até que informações
codificantes essenciais fossem perdidas.
Para isso não ocorrer, um componente do sistema, a enzima
telomerase, faz a adição de múltiplas cópias de uma sequencia
simples não-codificantes nas pontas 3’ da molécula de DNA. A
proteína telomerase leva uma pequena molécula de RNA, parte da
qual atua como um molde para a polimerização da unidade
repetida telomérica. A RNA telomerase primeiro se helicoidiza ao
prolongamento 3’ do DNA, que é então ampliado com o uso de
dois componentes da telomerase: o pequeno RNA (como molde) e
a proteína ( como atividade de polimerase). Após a adição de
alguns nucleotídeos ao prolongamento 3’, a RNA polimerase
move-se ao longo do DNA de modo que a ponta 3’ possa ser mais
estendida por sua atividade de polimerase. A primase e a DNA
polimerase então usam o prolongamento 3’ como molde para
preencher o final do outro filamento de DNA.
- Além de impedir a erosão do material genético após cada rodada
de replicação, os telômeros preservam a integridade
cromossômica por associação a revestimentos protetores. Esses
revestimentos sequestram o prolongamento unifilamentar 3’. Sem
esse revestimento, os filamentos bifilamentares dos cromossomos
seriam confundidos com quebras bifilamentares pela célula e
tratados como tais. As quebras bifilamentares são muito
perigosas, pois podem resultar em instabilidade cromossômica
que pode levar a câncer e uma variedade de fenótipos associados
ao envelhecimento.
- Embora a maioria das células germinativas tenham ampla
telomerase, as células somáticas produzem muito pouca ou
nenhuma telomerase. Por esse motivo, os cromossomos das
celulas somáticas proliferativas ficam progressivamente mais
curtos a cada divisão celular, até que a célula para todas as
divisões e entre em fase de senescência.
- Há também uma relação da telomerase com o câncer: ao
contrário das celulas normais, a maioria das celulas cancerosas
tem atividade de telomerase. A habilidade em manter telômeros
funcionais pode ser um dos motivos pelos quais as celulas
cancerosas, mas não as normais, podem crescer em culturas de
celulas por décadas, e são consideradas imortais.
Transcrição e processamento do RNA
- Propriedades do RNA:
- É geralmente uma cadeia de nucleotídeos
unifilamentares. A consequência disso é que um filamento de RNA
pode se dobrar de tal modo que algumas de suas próprias bases
podem fazer par com a outra pareamento intramolecular.
- Tem o açúcar ribose em seus nucleotídeos, que difere
da desoxirribose do DNA por apresentar um átomo de oxigênio a
mais. A presença do grupo – OH no átomo de carbono 2’ facilita a
ação do RNA em muitos processos celulares importantes.
- Também possui uma ponta 5’ e outra 3’.
- Possui as bases nitrogenadas Adenina, Citosina,
Guanina e Uracila, no lugar da Timina no DNA.
OBS: além da adenina, a uracila pode parear com a guanina.
Contudo, isso não acontece na transcrição, mas somente durante
o dobramento do RNA. As interações entre U e G são mais fracas
que as entre U e A.
- Tipos de RNA:
Pode ser agrupado em duas classes gerais. A classe que serve de
intermediário para a passagem de informações do DNA para a
síntese de proteínas é chamada de RNA mensageiro (mRNA). A
outra classe é chamada de RNA funcional porque o próprio RNA é
o produto funcional final. Dois tipos de RNA funcional são
encontrados tanto em procariotos quanto em eucariotos:
- RNA transportador (tRNA): são os adaptadores do
códon de 3 nucleotídeos no mRNA ao aminoácido
correspondente, que é levado pelo tRNA ao ribossomo no
processo de tradução.
- RNA ribossômico (rRNA): são os principais
componentes dos ribossomos.
Um outro tipo de RNA funcional é específico de eucariontes:
- Pequenos RNA nucleares (snRNA): fazem parte do
sistema de processamento do RNA transcrito, denominado de
spliceossomo, que remove íntrons dos mRNA eucarióticos.
Uma grande fração do genoma eucariótico é transcrito em um
grupo diverso de RNA funcionais que participam na regulação da
expressão gênica em muitos níveis.
- MicroRNA (miRNA): tem um amplo papel na regulação
da quantidade de proteínas produzidas por muitos genes.
- Transcrição: A primeira etapa na transferência da informação do
gene para a proteína é produzir um filamento de RNA cuja
sequencia de bases é complementar à sequencia de bases de um
segmento do DNA, as vezes seguido da modificação desse RNA
para prepará-lo para seus papéis celulares específicos.
Visão Geral:
- Os dois filamentos da dupla hélice de DNA separam-se
localmente, e um dos filamentos separado atua como um molde
para a síntese de RNA. No cromossomo em geral, ambos os
filamentos de RNA são utilizados como molde; mas, em qualquer
gene, apenas um filamento é usado e, nesse gene, é sempre o
mesmo filamento.
- Os ribonucleotídeos que foram quimicamente sintetizados em
outra parte da célula formam pares estáveis com suas bases
complementares no molde. A enzima responsável por fazer esse
pareamento é a RNA polimerase.
- Durante a síntese, o crescimento do RNA é sempre no sentido
de 5’ para 3’. Esse fato significa que o filamento completo de DNA
deve ser orientado de 3’ para 5’.
- A medida que a molécula de RNA polimerase se move ao longo
do gene, ela desenrola a dupla de DNA a sua frente e reenrola o
DNA que já foi transcrito. Várias RNA polimerases, cada uma
sintetizando uma molécula de RNA, movem-se ao longo do gene.
- A sequencia de nucleotídeos no RNA deve ser a mesma que no
filamento não-molde do DNA, à exceção de que os T são
substituídos por U. Por esse motivo, o filamento não-molde do
DNA é chamado de filamento codificante.
Estágios da transcrição:
- Como o DNA de um cromossomo é uma unidade contínua, a
maquinaria transcricional deve ser dirigida para o começo de um
gene para começar a transcrever no local certo, continuar
transcrevendo ao longo do gene e, finalmente, parar de
transcrever na outra ponta. Esses três estágios distintos da
transcrição são chamados de iniciação, alongamento e término.
Em procariotos:
- Iniciação: A RNA polimerase geralmente se liga a uma
sequencia específica de DNA chamada de promotor, situada perto
do inicio da região transcrita. A primeira base transcrita está
sempre no mesmo local, chamada de sítio iniciador. O promotor é
chamado de antecedente ao sitio de iniciação porque está situado
à frente do sítio de iniciação.
Nas celulas procarióticas, as sequencias de promotor não são
iguais em todos os genes. Contudo, existe uma sequencia de
nucleotídeos, chamada de sequencia de consenso, que está de
acordo com a maioria das sequencias.
A parte codificante de proteínas do gene geralmente começa com
uma sequencia ATG, mas o sítio de iniciação, onde começa a
transcrição, geralmente está bem antecedente a essa sequencia.
A parte intercalar é chamada de região não-traduzida 5’ (5’ UTR).
- Alongamento: à medida que a RNA polimerase se
move ao longo do DNA, desenrola o DNA à frente dela e reenrola
o DNA que já foi transcrito. Desse modo, ela mantém uma região
unifilamentar de DNA, chamada de bolha de transcrição, dentro da
qual o filamento-molde é exposto. Na bolha, a polimerase monitora
a ligação de um ribonucleosídeo trifosfato livre para a base
exposta seguinte no molde de DNA e, se houver uma
complementaridade, adiciona-o à cadeia. A medida que a cadeia
de RNA aumenta em sua ponta 3’, a ponta 5’ unifilamentar é
liberada da polimerase.
- Término: A transcrição de um gene individual continua
além do segmento codificante de proteína do gene, criando uma
região 3’ não-traduzida (3’ UTR) na ponta do transcrito. O
alongamento continua até que a RNA polimerase reconheça
sequencias especiais de nucleotídeos que atuam como um sinal
para término da cadeia. O encontro com os nucleotídeos de sinal
inicia a liberação do RNA nascente e a enzima do molde. Os dois
mecanismos principais de término em procariotos são chamados
de dependentes de Rô e independentes de Rô.
- Dependentes de Rô: o término requer a ajuda de uma
proteína chamada de fator de Rô. Essa proteína reconhece os
sinais de termino para a RNA polimerase.
- Independentes de Rô: o termino é direto.
Em eucariotos:
- É mais complicada que em eucariotos por três motivos:
I. Os genomas eucarióticos maiores têm muito mais genes
a serem reconhecidos e transcritos. Além disso, há
muito mais DNA não-codificante nos eucariontes. Para
lidar com a situação, o trabalho da transcrição é divido
entre três polimerases diferentes.
- A RNA POL I transcreve genes de rRNA.
- A RNA POL II transcreve todos os
genes codificantes de proteínas, para os quais o
transcrito final é o mRNA, e transcreve alguns snRNA.
- A RNA POL III transcreve os pequenos RNA
funcionais, tais como os genes para tRNA e alguns
snRNA.
Os eucariontes requerem a montagem de muitas
proteínas em um promotor antes que a RNA polimerase
II possa começar a sintetizar RNA. Algumas dessas
proteínas, chamadas de fatores gerais de transcrição
(GTF), ligam-se antes que a RNA polimerase II se ligue,
enquanto outros se ligam depois.
II. Presença de um núcleo em eucariontes. Nos
procariontes, a informação no RNA é quase
imediatamente traduzida em uma cadeia de
aminoácidos. Nos eucariontes, a transcrição e a
tradução são especialmente separadas, a transcrição
ocorre no núcleo e a tradução no citoplasma.
Antes do RNA deixar o núcleo, ele deve ser modificado
de vários modos. Essas modificações são coletivamente
chamadas de processamento do RNA. Para distinguir o
RNA antes e depois do processamento, o RNA recém-
sintetizado é chamado de transcrito primário ou pré-
mRNA, e o termo mRNA é designado para o transcrito
totalmente processado, pronto para ser exportado do
núcleo.
III. O molde para a transcrição, o DNA genômico, é
organizado em cromatina nos eucariotos, enquanto está
praticamente “nu” nos procariotos.
- Iniciação: A RNA polimerase requer fatores gerais de
transcrição (GTF) para se ligarem às regiões promotoras
antes da ligação da enzima. Os GTFS e o cerne da RNA
polimerase II constituem o complexo de pré-iniciação (PIC). A
sequência inicial do promotor é geralmente uma sequencia
de nucleotídeos TATA, chamada de TATA boxe. Nesse local,
é ligado o primeiro fator geral de transcrição.
Após a transcrição ter sido iniciada, a RNA polimerase II
dissocia-se da maioria dos GTF para alongar o transcrito
primário de RNA. Alguns dos GTF permanecem no promotor
para atrair o próximo cerne de RNA polimerase. Desse modo,
várias enzimas RNA polimerase II podem sintetizar
simultaneamente os transcritos de um único gene.
- Alongamento: ocorre dentro da bolha de transcrição
essencialmente como nos procariotos. Entretanto, o RNA
nascente tem destinos muito diferentes. Nos eucariotos,
antes do inicio da tradução, ocorre o processamento do RNA.
Esse processamento inclui (1) adição do revestimento (cap)
na ponta 5’, (2) recomposição para eliminar os íntrons e (3) a
adição de uma cauda 3’ dos nucleotídeos adenina
(poliadenilação). O processamento do RNA é feito
concomitantemente com a síntese do mesmo, assim que o
RNA nascente emerge de uma RNA polimerase II.
- Revestimento (cap): consiste em uma 7-metilguanosina
ligada ao transcrito por três grupos fosfato. Tem duas
funções: proteger o RNA da degradação e ser necessária
para a tradução do mRNA.
- Cauda Poli (A): tem funções de facilitar o transporte
para o citoplasma e estabilizar o RNAm.
- O processo de remoção dos íntrons e união dos éxons
é chamado de recomposição alternativa (splicing alternativo). Por
esse processo, diferentes mRNA e, subsequentemente, diferentes
proteínas são produzidas pelos mesmo transcrito primário,
recompondo diferentes combinações de éxons.
- O mecanismo de recomposição dos éxons:
O processo de retirada dos íntrons deve ocorrer de modo bastante
exato, pois a retirada ou o permanecimento de algum nucleotídeo
no mRNA pode comprometer toda a sua função. Nas junções
éxons-íntrons dos pré-mRNA existem nucleotídeos específicos
que são encontrados em quase todos os genes e entre as
espécies. Cada íntron é cortado em cada ponta, e essas pontas de
íntron geralmente tem GU na ponta 5’ e AG na ponta 3’. O
complexo que faz o reconhecimento e retirada dos íntrons é
chamado de Spliceossomo e possui 5 tipos de snRNA + 50 tipos
de proteínas. Ele faz isso através de duas etapas:
- A primeira etapa consiste na ligação de uma ponta de
um íntron à adenina interna conservada, formando uma estrutura
que tem a forma de um laço de cowboy.
- A segunda etapa libera o laço e junta os dois éxons
adjacentes.
Tradução do mRNA em proteínas
- Estruturas das proteínas:
- Uma proteína é composta por monômeros de aminoácidos que
são unidos por ligações peptídicas – união da ponta amino (NH2)
de um aminoácido com a ponta carboxila (COOH) de outro
aminoácido.
- Tem estruturas complexas com quatro níveis de organização.
- Estrutura primária: sequencia linear de aminoácidos.
- Estrutura secundária: dobramento da proteína em
regiões específicas (α hélice e folha β pregueada).
- Estrutura terciária: dobramento da estrutura
secundária.
- Estrutura quaternária: composta de dois ou mais
polipeptídeos separados dobrados, também chamados de
subunidades.
- As regras pelas quais a estrutura primária é convertida em
estruturas de ordem superior são incompletamente
compreendidas. Entretanto, pelo conhecimento da sequencia
primária da proteína podem ser previstas as funções de regiões
específicas. Essas sequencias associadas a determinadas
funções são chamadas de domínios.
- O código genético é não superposto:
- Número de letras do códon: o códon genético é formado por três
nucleotídeos. Com isso, o numero de códons diferentes é 64
(4x4x4). Como somente existem 20 tipos de aminoácidos, é
presumível que mais de um códon seja correspondente a um
mesmo aminoácido código genético é redundante.
- A maioria dos aminoácidos podem ser levados aos
ribossomos por vários tipos de tRNA alternativos. Cada tipo, com
um anticódon diferente que faz par de bases com um códon
diferente de mRNA.
- Algumas espécies de tRNA carregados podem trazer
aminoácidos específicos para qualquer um de vários códons.
Esses tRNA reconhecem e ligam-se a vários códons alternativos,
não apenas a um com uma sequencia complementar, por um tipo
de pareamento de bases fraco na ponta 3’ do códon e ponta 5’ do
anticódon. Esse pareamento fraco é chamado de oscilação. A
oscilação é uma situação na qual o terceiro nucleotídeo de um
anticódon (na ponta 5’) pode formar dois alinhamentos.
- Códons de fim: alguns códons não especificam nenhum
aminoácido, Esses códons são códons de fim, ou de término
UAG, UGA e UAA.
- Tradução do códon pelo tRNA: a estrutura do tRNA tem forma de
um trevo consistindo em quatro hastes de dupla hélice e três alças
unifilamentares. A alça do meio de cada tRNA é chamada de alça
do anticódon porque leva a trinca de nucleotídeos complementar
ao códon, o anticódon. Como os códons no mRNA são lidos no
sentido 5’ 3’, os anticódons são orientados e escritos no
sentido 3’ 5’.
Os aminoácidos são ligados aos tRNA por enzimas chamadas de
aminoacil-tRNA sintetases. Existem 20 dessas marcantes enzimas
na célula, uma para cada um dos 20 aminoácidos. Um tRNA com
aminoácido ligado é chamado de carregado. Cada aminoácido tem
uma sintetase específica que o liga apenas aos tRNA que
reconhecem os códons para esse determinado aminoácido. Para
catalisar essa reação, a sintetase tem dois sítios de ligação: um
para o aminoácido e outro para o tRNA cognato. Um aminoácido é
ligado a ponta 3’ de seu tRNA.
- Ribossomos: em todos os organismos, o ribossomo consiste um
uma subunidade pequena e uma grande, cada uma feita de RNA e
proteínas. Em procariontes, as subunidades pequena e grande
são chamadas de 30S e 50S, respectivamente, e se associam
para formar uma partícula 70S. As contrapartes eucarióticas são
chamadas de 40S e 60S, com 80S para o ribossomo completo.
- O sítio de ligação ao mRNA está totalmente dentro da
subunidade menor.
- Existem três sítios de ligação para as moléculas de tRNA. Cada
tRNA ligado une as subunidades 30S e 50S, com sua ponta de
anticódon na primeira e sua ponta aminoacil (levando o
aminoácido) na última.
- O sítio A (para o aminoacil) liga um aminoacil-tRNA que
chega cujo anticódon corresponde ao códon no sítio A da
subunidade 30S. À medida que continuamos no sentido 5’ do
mRNA, o códon seguinte interage com o anticódon do tRNA no
sítio P (para peptidil) da subunidade 30S. O tRNA no sitio P liga-se
à cadeia polipeptídica crescente, parte da qual entre em uma
estrutura tipo túnel na subunidade 50S. O sítio E (de saída)
contém um tRNA desacilado (que não leva mais o aminoácido)
que está pronto para ser liberado do ribossomo.
- Duas regiões adicionais ao ribossomo são críticas para a síntese
de proteínas: o centro decodificador, na subunidade 30S, garante
que apenas os tRNA levando anticódons que se ajustam aos
códons (tRNA cognatos) serão aceitos no sitio A. Os tRNA
cognatos associam-se ao centro peptidiltransferase na subunidade
50S, onde a formação da ligação peptídica é catalisada.
- Inicio, alongamento e termino da tradução:
- Início: a principal tarefa da iniciação é colocar o primeiro
aminoacil-tRNA no sítio P do ribossomo e, desse modo,
estabelecer a correta matriz de leitura do mRNA. Na maioria dos
procariontes e em todos os eucariontes, o primeiro aminoácido em
qualquer polipeptídio recém-sintetizado é a metionina,
especificada pelo códon AUG. Ele é inserido por um tRNA
especial chamado de iniciador.
- Iniciação em procariontes: os códons de iniciação são
precedidos por sequencias especiais, chamadas de sequencias
Shine-Dalgarno, que fazem par com a ponta 3’ de um rRNA na
subunidade ribossômica 30S. Esse pareamento posiciona
corretamente o códon iniciador no sitio P onde o tRNA iniciador irá
ligar-se. Três proteínas – IF1, IF2 e IF3 (de fator de iniciação) são
importantes para a correta iniciação. Uma delas mantém
separadas as subunidades ribossômicas e as outras atuam
garantindo que apenas o tRNA iniciador entre no sítio P. A
subunidade 30S, o mRNA e o tRNA iniciador constituem o
complexo de iniciação. O ribossomo completo 70S é formado pela
associação da subunidade maior 50S com o complexo de
iniciação e a liberação dos fatores de iniciação.
- Iniciação em eucariotos: na chegada ao citoplasma, o
mRNA é geralmente coberto de proteínas, e regiões podem ter
dupla hélice devido a pareamento de bases intramolecular. Essas
regiões de estrutura secundária devem ser removidas para expor
o códon iniciador AUG. As estruturas responsáveis por fazer essa
remoção são os fatores de iniciação, e eles também se associam
ao cap, à subunidade 40S e o tRNA iniciador, formando o
complexo de iniciação. Uma vez no lugar, o complexo move-se no
sentido 5’ para 3’ e desenrola as regiões com pareamento de
bases. Ao mesmo tempo, a sequência exposta é percorrida a
procura de um códon AUG onde possa começar a tradução. Após
o códon AUG ser apropriadamente alinha com tRNA iniciador, o
complexo de iniciação é unida à subunidade 60S para formar o
ribossomo 80S. Como nos procariontes, os fatores de iniciação
eucarióticos dissociam-se para formar o ribossomo antes que a
fase de alongamento da tradução comece.
- Alongamento: Cada aminoácido é adicionado à cadeia
polipeptídica crescente enquanto o tRNA desacilado é reciclado
pela adição de outro aminoácido. Os fatores proteicos, chamados
de fatores de alongamento Tu (EF-Tu) e fator de alongamento G
(EG-G), ajudam no processo de alongamento.
Antes que os aminoacil-tRNA possam ser usados na síntese de
proteínas, eles se associam ao fator EF-Tu formando um
complexo ternário (tRNA, aminoácido e EF-Tu). O alongamento
começa com um tRNA iniciador no sítio P e com o sitio A pronto
para aceitar um complexo ternário. Somente um dos 20 complexos
ternários será aceito, e essa aceitabilidade é determinada pela
correspondência de códon e anticódon. Quando há uma
correspondência correta, o ribossomo muda de conformação,
fazendo com que o EF-TU deixe o complexo ternário, e as duas
pontas aminoacil são justapostas no centro peptidiltransferase da
subunidade maior, onde é formada a ligação peptídica. Nesse
ponto, o segundo fator proteico EF-G se ajusta ao sitio A e, com
isso, muda os tRNA nos sítios A e P para os sítios P e E,
respectivamente. O mRNA move-se pelo ribossomo de modo que
o códon seguinte é posicionado no sitio A. Quando EF-G deixa o
ribossomo, o sitio A está aberto para aceitar o complexo ternário
seguinte.
- Término: o ciclo continua até o códon no sitio A ser um dos três
códons de fim. Proteínas chamadas de fatores de liberação
reconhecem os códons de fim. Quando isso ocorre, uma molécula
de água entra no centro peptidiltransferase, e sua presença leva a
uma liberação do polipeptídio do tRNA no sitio P. As subunidades
ribossômicas separam-se, e a subunidade 30S agora está pronta
para formar um novo complexo de iniciação.
- Eventos pós-traducionais:
- Dobramento da proteína nascente
- Modificações de cadeias laterais de aminoácidos:
- Fosforilação: As cinases ligam grupos fosfato aos
grupos hidroxila de alguns aminoácidos e as fosfatases removem
esses grupos. Como os grupos fosfato tem carga negativa, sua
adição à proteína geralmente muda sua conformação.
- Ubiquitinização: adição de cadeias de várias cópias de
uma proteína chamada de ubiquitina à amina das lisinas marca a
proteína para a degradação por uma protease chamada de
proteossomos 26S.
- Direcionamento de proteínas: as proteínas possuem sequencias
de sinal em sua ponta aminoterminal que são responsáveis por
destiná-las ao compartimentos celulares ou membranas.
Controle da expressão gênica
- As propriedades biológicas de cada tipo de célula eucariótica são
amplamente determinadas pelas proteínas expressas dentro dela.
- Em um momento qualquer da história de uma célula, apenas
uma fração dos RNA e proteínas codificadas em seu genoma é
expressa. Em momentos diferentes, o perfil dos produtos gênicos
expressos pode diferir marcantemente, tanto com relação às
proteínas que são expressas como em que níveis.
- Existem alguns genes que são expressos em todas as células e
são denominados de genes constitutivos – ex: genes que
codificam a RNA polimerase, as histonas e a DNA polimerase.
Contudo, a grande maioria dos genes sofrem controle de
expressão gênica.
- O controle da expressão genica pode ocorrer em todas as etapas
da síntese proteica, desde a transcrição até a formação da
proteína completa.
- De uma forma geral, o controle da expressão gênica pode ser:
- Controle positivo: os genes normalmente estão
inativados e só são expressos quando uma proteína reguladora
está presente, induzindo sua expressão.
- Controle negativo: os genes normalmente estão ativos
e só deixam de ser expressos quando uma proteína reguladora
está presente, reprimindo sua expressão.
a proteína reguladora é sintetizada por genes
reguladores.
- Exemplo de controle de expressão gênica em procariotos:
A maioria dos mRNA de procariotos é policistrônica ou poligênica
– um mesmo transcrito codifica mais de uma proteína. A produção
do transcrito policistrônico é dirigida por um único promotor, ou
seja, genes adjacentes podem ter um mesmo promotor
controlando a expressão desses genes. O conjunto formado pelos
genes, pelo promotor e pelas sequências regulatórias recebe o
nome Operon.
- Metabolismo da lactose – Operon LAC:
O metabolismo da lactose se dá pela codificação de três
proteínas: β-galactosidase, permeasse e transacetilase. Para
poupar energia, então, essas três proteínas só são sintetizadas
caso haja lactose no meio.
Normalmente, o complexo de metabolismo da lactose
não está operando. Isso acontece porque existe um gene
regulador do Operon LAC que está codificando uma proteína
repressora que tem função de bloquear a expressão desse
Operon LAC Controle negativo.
Se existe lactose no meio, a lactose interage com a
proteína repressora, que muda de conformação, e libera o Operon
para funcionar, iniciando a transcrição.
Porém, a maioria das bactérias usa a glicose como fonte
principal de energia, e não a lactose. A presença da glicose,
então, irá inibir a indução do Operon LAC. Esse fenômeno,
chamado repressão catabólica, assegura que, quando presente, a
glicose será preferencialmente utilizada, em vez de outra fonte de
carbono. A repressão catabólica é mediada por uma proteína
regulatória conhecida como CRP (proteína receptora de cAMP) e
por uma molécula de cAMP. A proteína CRP possui sítios de
ligação para o DNA e o cAMP. Sabe-se que o promotor LAC
contém dois sítios de ligação separados, um deles para a ligação
da RNA polimerase e outro para a ligação do complexo CRP-
cAMP.
Na ausência de glicose e presença de lactose, o
complexo CRP-cAMP se liga ao promotor, estimulando a
transcrição, ao mesmo tempo que o repressor LAC será desligado
do operador pela ação da lactose. Na presença de glicose, o
complexo CRP-cAMP não se forma e, consequentemente, não
ocorre a transcrição. Mas para que a transcrição ocorra também é
necessária a presença da lactose que irá deslocar o repressor
LAC do operador.
O complexo CRP-cAMP precisa estar presente no seu
sítio de ligação para que o promotor do Operon LAC seja ativado.
O complexo exerce um controle positivo na transcrição do Operon
LAC, oposto ao efeito observado para a proteína repressora.
Somente o complexo se liga ao promotor. Na ausência de cAMP,
a proteína CRP não se liga.
Resumindo: O Operon da lactose é coordenado por controle
negativo e positivo.
- Em eucariontes, o controle da expressão genica é histoespecífico
(cada célula tem um controle diferente, regulando a expressão de
proteínas diferentes) e temporal (muda de acordo com estágio de
desenvolvimento):
- Ex da hemoglobina: em cromossomos diferentes,
existem famílias gênicas que codificam a cadeia α
globina e famílias gênicas que codificam a cadeia β
globina. Em diferentes estágios da vida, um gene que
compõe cada família é ativado para sintetizar uma
cadeia α globina e uma β globina que atenderão de
forma mais eficiente as necessidades de oxigênio do
indivíduo, desde o feto até a idade adulta.
- Formas de controle da expressão gênica em eucariotos:
- Cromatina: A organização da cromatina em heterocromatina e
eucromatina já nos permite identificar locais que serão transcritos.
Na heterocromatina, que está altamente condensada, não há
expressão gênica devido ao fato de a maquinaria que faz o
reconhecimento dos promotores para inicio da transcrição não
conseguir acessar o material genético. Com isso, é na
eucromatina que acontece a expressão dos genes. Entretanto, o
estado da heterocromatina não é estático, ou seja, não quer dizer
que regiões que estão altamente condensadas em algum
momento nunca serão expressos.
- Heterocromatina constitutiva: regiões que não são
expressas em momento algum (regiões centroméricas e regiões
teloméricas).
- Heterocromatina facultativa: em uma determinada
célula ou fase da vida, podem ser tornar ativas. Ex: cromossomo X
nas mulheres.
Em parte, o estado de condensação da cromatina é garantido
pelas proteínas histonas.
- Acetilação das histonas: diminui a atração das histonas
pelo DNA DNA liberto
- Desacetilação das histonas: reprime a atividade gênica,
pois esconde as regiões que seriam reconhecidas pela RNA
polimerase DNA condensado
- Fatores de transcrição:
- Basal: garantem um nível básico de transcrição.
- Especial: modulam uma maior ou menor transcrição.
Enhancer ou acentuadores:
sequencias no DNA que atuam como
moduladores da transcrição e, em
geral, se situam muito distantes da
região que será transcrita. A posição
dos enhancers pode ser tanto antes
quanto depois da região a ser
transcrita (considerando o
deslocamento do RNA polimerase) e nessas
regiões do DNA se ligam proteínas regulatórias
(os fatores de transcrição especial) que
aumentam a eficiência da iniciação da
transcrição ou que ativam a região promotora
para ligação com a RNA polimerase.
Sequencias silenciadoras: quando
reconhecidas pelos fatores de transcrição
especial, diminuem a transcrição dos genes.
- Exemplos de sinais que regulam a expressão gênica:
- Alterações ambientais (luz, calor).
- Hormônio
- Fatores de crescimento e diferenciação celular
- Alterações nutricionais
Outras formas de controle da expressão gênica:
- Splicing alternativo: as diferentes formas de se “montar”
o mRNA podem interferir em síntese de diferentes proteínas.
- Estabilidade do mRNA: quanto mais rápido o mRNA é
degradado, menos proteínas serão formadas. Quanto mais tempo
ele fica, mais proteínas serão formadas.
- o tamanho da cauda Poli (A): quanto maior a
cauda Poli (A), maior o tempo de vida do
mRNA.
- sequencias na região 3’ UTR que são pontos
de ligação à proteínas que controlam a
degradação de mRNA na célula proteína
ligada: mRNA pode ser degradado.
- Micro RNA: cada micro RNA atua regulando a
expressão genica de um gene em específico. Isso ocorre porque
ele pareia suas bases com as bases do mRNA que é regulado por
ele, impedindo que o ribossomo leia aquelas bases que estão
pareadas no momento da tradução, bloqueando esta etapa. Eles
também podem atuar induzindo a degradação desse mRNA.
- Inativação do cromossomo X:
Apesar do cromossomo Y ter um número menor de genes,
existem genes que estão presentes em ambos os cromossomos,
que permitem que eles pareiem na hora da meiose. Para não
haver uma produção maior de produtos transcricionais nas
mulheres, devido ao fato de o cromossomo X conter mais genes,
há uma inativação aleatória de um dos cromossomos X nas
células femininas em um dos estágios iniciais do desenvolvimento.
Esse mecanismo de inativação é chamado de COMPENSAÇÃO
DE DOSE. A inativação é aleatória, ou seja, em cada célula já
formada, pode haver a inativação de um cromossomo X. Contudo,
todas as celulas geradas a partir dessa célula vão ter o mesmo
cromossomo X inativado. Com isso, uma parcela das celulas da
fêmea pode ter o X paterno inativado, enquanto que a parcela
restante tem o X materno inativado.
Existe uma região no cromossomo X, chamada de XIC (centro de
inativação do cromossomo X), que contém o gene XIST. Esse
gene é regulado por eventos tradicionais de regulação gênica,
como a metilação. O acréscimo de grupos metil ao DNA esconde
alguns sítios com funções importantes e isso impede que
proteínas tenham acesso a esse sítio. Então, um dos genes XIST
irá passar por um processo de metilação e irá ser silenciado. O
outro gene XIST ativo produz mRNAs que irão se associar ao
cromossomo responsável pela sua produção, induzindo a sua
condensação, formando o corpúsculo de Barr. O cromossomo que
teve o gene XIST inativado será o cromossomo ativo.
Mecanismos de Herança
- Herança Autossômica Dominante:
- O fenótipo é expresso tanto em homozigotos quanto em
heterozigotos para um alelo mutante.
- A característica ocorre igualmente em homens e mulheres.
- Indivíduos afetados são filhos de casais onde pelo menos um
dos conjunges é afetado. Dessa forma, um casal normal não pode
ter filhos afetados (a não ser que haja mutação ou penetrância
reduzida do gene).
- A característica ocorre em todas as gerações.
- As uniões que produzem crianças com doença autossômica
podem ser entre dois heterozigotos (D/d) para a mutação ou, mais
frequentemente, entre um heterozigoto para a mutação (D/d) e um
homozigoto para um alelo normal (d/d). Nesse ultimo caso, o risco
dos descendentes serem afetados é de 50%.
- Dominante pura: homozigotos e heterozigotos para um
alelo mutante são igualmente afetados Distúrbios muito raros
devido ao fato de o fenótipo homozigoto ser, geralmente, fatal.
Ex da Doença de Huntington: é o distúrbio mais
frequentemente invocado como dominante puro, porque
a doença geralmente é semelhante em natureza e
gravidade de sintomas tanto em heterozigotos quanto
em homozigotos. Contudo, mesmo essa patologia
parece apresentar um curso de duração mais acelerado
desde o início da doença até o óbito em indivíduos
homozigotos, se comparados aos heterozigotos.
- Incompletamente dominante: mais comumente, os
distúrbios dominantes são mais graves em homozigotos do que
em heterozigotos.
Ex da Acondroplasia: se manifesta como um nanismo de
membros curtos e cabeça grande. Os indivíduos
homozigotos são muito mais gravemente afetados do
que os heterozigotos e comumente não sobrevivem ao
período pós-natal imediato.
- Codominantes: ocorre a expressão fenotípica de dois
alelos diferentes para um locus.
Ex: tipo sanguíneo AB.
- Herança Autossômica recessiva:
- O fenótipo é expresso somente em homozigotos ou em
heterozigotos compostos,
- Os genitores de indivíduos afetados são portadores de pelo
menos um alelo mutante.
- Os dois sexos são igualmente afetados.
- Os indivíduos afetados resultam, geralmente, de casamentos
consanguíneos.
- Os genitores heterozigotos são os mais comuns para esse tipo
de herança. 25% da prole é afetada.
- Herança ligada ao X:
- Acredita-se que aproximadamente 1.100 genes estejam
localizados no cromossomo X.
- Uma vez que os homens possuem somente um cromossomo X,
enquanto as mulheres possuem dois, só existem dois tipos de
genótipos possíveis em homens e três possíveis em mulheres com
respeito a um alelo em um locus ligado ao X. Um homem com um
alelo mutante em um locus ligado ao X é hemizigoto para aquele
alelo, enquanto que mulheres podem ser homozigotas tanto para o
alelo normal quanto para o alelo mutante, ou heterozigotas.
- Esses distúrbios podem ser dominantes ou recessivos, e eles
são distinguidos com base no fenótipo das mulheres. A dificuldade
em classificar um distúrbio ligado ao X como dominante ou
recessivo provém do fato de algumas mulheres que são
heterozigotas para o mesmo alelo mutante na mesma família
poderem ou não demonstrar a doença, dependendo do padrão de
inativação aleatória do cromossomo X e da proporção de celulas
nos tecidos pertinentes que possuem o alelo mutante no
cromossomo ativo versus inativo.
- Nas raras situações nas quais uma mulher portadora de um alelo
recessivo ligado ao X manifesta a expressão fenotípica da doença,
ela é denominada de heterozigoto manifesto.
- Herança recessiva ligada ao X:
- É expressa no fenótipo de todos os homens que receberam a
mutação, mas somente nas mulheres que são homozigotas para a
mutação. Com isso, são bem mais frequentes em homens que
mulheres.
Ex da Hemofilia A: o sangue não consegue coagular
normalmente devido a uma deficiência do fator VIII, uma proteína
da cascata de coagulação.
Ex do Daltonismo
- Herança dominante ligada ao X:
- É regularmente expresso em heterozigotos.
- Pode ser distinguida da herança autossômica dominante pela
ausência de transmissão homem a homem.
- Todas as filhas e nenhum dos filhos do homem são afetados.
- Cada filho de uma mulher afetada tem 50% de chance de herdar
a característica, independentemente do sexo.
- As mulheres afetadas são cerca de duas vezes mais comuns que
os homens afetados, devido ao fato de as mulheres poderem
receber o alelo mutado tanto da mãe quanto do pai, enquanto os
homens só recebem da mãe.
Ex do Raquitismo hipofosfatêmico: a capacidade dos
túbulos renais de reabsorverem o fosfato filtrado está
comprometida.
Ex da Síndrome de Rett: ocorre quase que
exclusivamente no sexo feminino, pois é letal no sexo masculino.
É caracterizada pelo crescimento e desenvolvimento pré-natal e
neonatal normais, seguidos pelo rápido inicio dos sintomas
neurológicos e pela perda dos marcos do desenvolvimento.
- Herança ligada ao Y:
- É transmitida de pai para filho homem, somente.
Ex: hipertricose auricular.
- Herança mitocondrial:
- É provocada por mutações do genoma mitocondrial e por
manifestarem uma herança materna.
- Uma pequena fração de RNA e proteínas são sintetizados por
informações contidas no genoma mitocondrial.
- A maioria das células contém pelo menos 1000 moléculas de
mtDNA, distribuídos entre centenas de mitocôndrias individuais.
- 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.
- Quando surge uma mutação no mtDNA, inicialmente ela só está
presente em uma das moléculas de mtDNA em uma mitocôndria.
Com as divisões celulares, uma mtDNA mutante irá adquirir
múltiplas cópias e, quando eles forem segregados, pode haver
celulas que irão conter proporções muito grandes desse mtDNA
mutado, levando a distúrbios na produção de energia.
- Heteroplasmia: células que contém uma mistura de mitocôndrias
mutantes e outras sem mutações.
- Homoplasmia: células que contém somente mitocôndrias
mutadas.
- Todos os filhos de mulheres que sejam homoplasmáticas para
uma mutação no mtDNA herdarão a mutação.
- A herança materna de uma mutação homoplasmática do mtDNA
pode causar a neuropatia óptica hereditária de Leber (perda rápida
da visão como resultado da morte do nervo óptico).
- Fatores complicantes do padrão de herança:
- Mutação nova
Se uma criança nasceu com uma doença genética que
não ocorreu anteriormente na família, é possível que a
doença seja o produto de uma mutação nova. O gene
transmitido por um dos pais sofreu uma mudança na
sequencia de DNA, resultando em uma mutação a partir
de um alelo normal. O risco de recorrência para a prole
subsequente destes pais não deve ser elevado acima
daquele da população em geral. Entretanto, a prole da
criança afetada pode ter um risco substancialmente
elevado.
- Mosaicismo germinativo
Durante o desenvolvimento embrionário de um dos
genitores, uma mutação ocorreu e afetou todas ou parte
da linhagem germinativa, porém atingiu poucas ou
nenhuma das celulas somáticas do embrião. Assim, os
pais carregam a mutação na sua linhagem germinativa,
mas não expressam efetivamente a doença, porque a
mutação está ausente em outras celulas do organismo.
Como resultado, o genitor pode transmitir a mutação
para varias proles. A suspeita de moisaicismo
germinativo se dá quando duas ou mais proles
apresentam uma doença autossômica dominante ou
ligada ao X quando não há histórico familiar desta
doença.
- Penetrância reduzida
Penetrância é a probabilidade de que um gene venha,
de fato, a possuir uma expressão fenotípica. Quando a
frequência de expressão de um fenótipo é de menos de
100%, diz que o gene exibe uma penetrância reduzida. É
um conceito tudo-ou-nada.
Ex: deformidade da mão fendida.
- Expressividade variável
Expressividade é a gravidade da expressão do fenótipo
entre os indivíduos com o mesmo genótipo causador da
doença. Quando a expressividade da doença difere em
indivíduos que possuem o mesmo genótipo, diz-se que o
fenótipo possui uma expressividade variável. Na
Neurofibromatose, enquanto alguns podem só
apresentar manchas café com leite – lesões cutâneas
pigmentares, planas e irregulares, outros podem
apresentar tumores benignos potencialmente letais.
- Genes modificadores
Genes que interagem com o gene causador da
doença, podendo levar a uma expressão mais
branda ou severa da doença.
- Heterogeneidade alélica
Vários possíveis alelos dentro de um mesmo
locus vão levar a expressão de uma mesma
doença.
Uma vez que qualquer alelo mutante em
particular geralmente é incomum na população,
a maioria das pessoas com distúrbios
autossômicos recessivos raros são
heterozigotos compostos, e não verdadeiros
homozigotos.
Ex da Fenilcetonúria.
- Heterogeneidade de locus
Quando o fenótipo de uma única doença é
causado por mutações em diferentes loci nas
diferentes cromossomos ou famílias gênicas.
Ex da Fenilcetonúria. Nesse caso, genes que
codificam cofatores que irão atuar na via de
metabolismo da fenilalanina estão mutados.
- Impriting genômico
Assim como o um cromossomo X na mulher, existem
regiões no genoma que também são silenciadas para
evitar a produção excessiva de produtos funcionais
dentro das células, que levariam a um gasto
desnecessário de energia. Contudo, a forma de
silenciamento é dependente da herança, e não aleatória.
Com isso, em todos os indivíduos já existe uma
determinação de que alguma região específica do
cromossomo que veio do pai será silenciada. O mesmo
ocorre nos cromossomos maternos.
Ex: Síndrome de Prader-Willi e Síndrome de Angelman.
No caso dessas duas síndromes, a deleção de uma
região no cromossomo 15 que veio do pai e que possui o
silenciamento de alguns genes e a expressão de outros
pode levar à síndrome de Prader-Willi. De outra forma, a
deleção da mesma região no cromossomo 15 materno,
que possui silenciamento e expressão de genes de
maneira oposta aos do cromossomo paterno podem
levar à Síndrome de Angelman.
- Idade atrasada de manifestação
Redução da seleção natural, já que indivíduos
portadores da doença passarão pela idade fértil sem
problema nenhum, propagando o alelo mutado para
outras gerações.
- Doenças devidas a expansões repetidas instáveis: as
expansões repetidas instáveis são caracterizadas por
expansões dentro de um gene afetado de um segmento
de DNA, consistindo em unidades repetidas de três ou
mais nucleotídeos em tandem (adjacentes uma da
outra). Em geral, todos os genes associados a essas
doenças possuem alelos de tipo normal que possuem
um número variável, porém baixo, de unidades repetidas
na população normal. À medida que o gene é passado
de geração em geração, o número de repetições pode
sofrer expansão muito além do polimorfismo normal,
levando a anomalias na expressão e função genéticas.
Ex da Doença de Huntington: caracterizada por
degeneração do estriado e do córtex. A primeira
manifestação clínica da doença se dá na meia idade. Os
homozigotos portadores da mutação e heterozigotos
possuem fenótipos muito semelhantes, embora os
homozigotos possam apresentar um curso mais rápido
da sua doença. Os indivíduos normais portam entre 9 e
35 repetições CAG no gene HD, com média de 18 ou 19.
Os indivíduos afetados apresentam 40 ou mais
repetições e, quanto maior o numero de repetições, mais
precoce é o inicio da doença.
Herança multifatorial
- Doenças causadas pela interação complexa entre fatores
genéticos e ambientais.
- Por serem causadas pelos efeitos aditivos de muitos fatores
genéticos e ambientais, essas características tendem a
acompanhar uma distribuição normal, ou em formato convexo, na
população.
- Ex da altura:
1. Supondo, de modo não realista, que a estatura seja
determinada por um único gene o com dois alelos A e a.
O alelo A tende a formar pessoas altas e o alelo a tende
a formar pessoas de baixa estatura.
Três genótipos possíveis: AA, Aa, aa, que determinariam
três fenótipos: alto, intermediário e baixo.
2. Supondo, agora, que a estatura seja determinada por
dois loci em vez de um só. O segundo locus também
tem dois alelos: B (alto) e b (baixo), e eles afetam a
estatura da mesma forma que os alelos A e a.
Nove genótipos possíveis: aabb, aaBb, Aabb, AaBb,
AaBB, AAbb, AABb e AABB. Os indivíduos poderiam ter
de zero a quatro alelos “altos”, gerando cinco fenótipos
distintos.
- Na medida que tantos os fatores genéticos quanto
ambientais determinam a estatura, teremos então
muitos fenótipos possíveis, cada um diferindo
levemente do outro, e a distribuição de estatura estará
próxima à do formato de uma curva convexa.
- O modelo do limiar: existe uma distribuição de susceptibilidade
para algumas doenças que não são de gene único em uma
população. Algumas pessoas têm poucas chances de desenvolver
a doença em questão (ou seja, elas têm poucos alelos ou fatores
ambientais que causariam a doença), enquanto outras pessoas
possuem muitos genes causadores e mais fatores ambientais e,
portanto, têm maior probabilidade de desenvolver a doença. Para
doenças multifatoriais que podem estar presentes ou ausentes,
acredita-se que um limiar de risco deva ser cruzado antes que a
doença se manifeste. Abaixo desse limiar, a pessoa parecerá
normal; acima dele, a pessoa estará afetada pela doença.
- Ex da estenose do piloro: doença que
se manifesta logo após o nascimento e
que é causada por estreitamento ou
obstrução do piloro muito mais
comum em homens. Essa diferença na
prevalência é resultado de um limiar
mais baixo para homens, ou seja,
menos fatores causadores da doença
são exigidos para gerar a doença, e um
limiar mais alto para mulheres. Por
conta disso, o risco de recorrência em
familiares de uma mulher com
estenose do piloro é maior do que
quando o individuo afetado é do sexo masculino. Isso porque
mulheres, com o limiar mais alto, devem ser expostas a mais
fatores causadores da doença para desenvolvê-la, e as chances
desses fatores serem passados para gerações futuras é maior.
- Categoria de mais alto risco: parentes
masculinos de mulheres afetadas.
- A estimativa do risco de recorrência em doenças multifatoriais é
bem mais complexa que nas doenças de gene único. Isso porque
geralmente não se conhece o numero de genes nem a
constituição precisa dos alelos dos pais e a extensão dos efeitos
ambientais pode variar substancialmente. O risco de recorrência,
então, nesses casos, é baseado em estudos de grandes grupos
de famílias e são específicos de uma dada população.
- O risco de recorrência será mais alto se mais de um
membro da família for afetado. Esse aumento não significa que o
risco da família tenha mudado. Em vez disso, ele significa que
agora tempos mais informações sobre o risco real da família, que
agora se encontra em uma posição mais alta na distribuição de
risco do que uma família que tenha apenas uma criança afetada.
- Se a expressão da doença no probando (indivíduo
afetado) for mais intensa, o risco de recorrência será mais alto.
Isso porque como esse indivíduo está na cauda extrema da
distribuição de risco, os parentes desse individuo terão mais
chances de herdar genes causadores da doença.
- O risco de recorrência será mais alto se o indivíduo
afetado for do sexo menos frequentemente afetado.
- O risco de recorrência diminui, em geral, rapidamente
em parentes de relação familiar mais remota. Isso porque muitos
fatores genéticos e ambientais devem combinar para produzir uma
característica. Todos os fatores de risco necessários,
provavelmente, não estarão presentes em membros da família
menos intimamente relacionados.
- Duas estratégias de pesquisa para estimar o quanto os genes
e/ou o meio ambiente influenciam na expressão de uma doença
multifatorial:
- Estudos com gêmeos: uma vez que gêmeos monozigóticos são
geneticamente idênticos, a maior parte das diferenças entre eles
serão devidas a efeitos do meio ambiente. Por isso, gêmeos MZ
deverão ser muito parecidos quando às características fortemente
influenciadas pelos genes. A base desses estudos é comparar
gêmeos monozigóticos e dizigóticos, que terão fatores ambientais
semelhantes aos monozigóticos, mas com diferenças genéticas
tão grandes quanto àquelas entre irmãos não gêmeos.
- Se dois membros de um par de gêmeos compartilham
uma característica, diz-se que eles são concordantes. Se não
houver esse compartilhamento, eles serão discordantes.
- As correlações e as taxas de concordância em gêmeos
MZ e DZ podem ser usadas para medir a herdabilidade de
características multifatoriais, que é definida como a proporção da
variação total de uma característica que é devida a fatores
genéticos. As características amplamente determinadas por genes
resultam em uma estimativa de herdabilidade que se aproxima de
1,0. Esses valores são específicos para a população na qual eles
são estimados.
- Problemas com os estudos de gêmeos: a alta
similaridade no meio ambiente pode tornar gêmeos MZ ainda mais
concordantes para uma característica, aumentando a influencia
aparente dos gêmeos. Uma forma de contornar esse problema é
estudar os gêmeos MZ que tenham sido criados em ambientes
diferentes; mutações somáticas podem ocorrer durante as divisões
mitóticas das celulas de embriões de gêmeos MZ após a
ocorrência da clivagem. Por isso, os gêmeos MZ podem não ser
tão “idênticos”, especialmente se ocorreu mutação no inicio do
desenvolvimento de um dos gêmeos.
- Estudos de adoção: a prole nascida de pais portadores de uma
doença, mas adotada por pais sem a doença pode ser estudada
para se descobrir se há desenvolvimento da doença nessa prole.
- Por exemplo, a esquizofrenia é observada em 8 a 10%
das crianças adotadas cujo pai ou mãe natural tinha a doença,
enquanto é observada em apenas 1% das crianças adotadas de
pais não afetados.
- Descobertas de genes que contribuem para a doença
multifatorial:
- Análise convencional de ligação: as famílias com um tipo de
doença são selecionadas, assume-se um modo de herança
monogênico e a analise de ligação é feita com um grupo maior de
marcadores polimórficos espalhados pelo genoma. Se nos
indivíduos afetados, for obtido um numero grande de alelos
parecidos nessas regiões de marcadores, assume-se que a região
ao redor desse polimorfismo poderia conter um gene causador da
doença.
Respostas somente dos impares