Genética

Introdução à Genética

A Genética é a área da Biologia que estuda a hereditariedade e a variação dos seres vivos. A hereditariedade corresponde à transmissão de informações biológicas entre gerações; a variação envolve as diferenças que encontramos entre indivíduos de uma população. Ao estudar esses processos, os biólogos investigam como os organismos armazenam e utilizam as informações de seu material genético.

Por que irmãos dos mesmos pais apresentam diferenças? Como uma característica pode aparecer em um filho e não ser observada nos pais? Para responder a essas questões, precisamos conhecer os genes e acompanhar sua transmissão durante a reprodução. Também precisamos considerar o ambiente, pois as condições de vida participam do desenvolvimento de muitas características.

DNA e organização da informação genética

Nos seres celulares, o DNA, ou ácido desoxirribonucleico, armazena a informação genética. Essa molécula costuma apresentar duas cadeias organizadas em dupla hélice. Cada cadeia contém unidades chamadas nucleotídeos, formadas por um açúcar, um grupo fosfato e uma base nitrogenada.

As bases do DNA são adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Na dupla hélice, A se liga a T, enquanto C se liga a G. A sequência dessas bases contém a informação utilizada pelas células. Podemos comparar essa organização a uma escrita: o conteúdo depende da ordem dos sinais, embora o funcionamento celular envolva processos químicos que vão além dessa comparação.

Nas células eucarióticas, como as dos animais e das plantas, a maior parte do DNA fica no núcleo. As mitocôndrias também possuem DNA; nas plantas e em outros organismos fotossintetizantes, os cloroplastos apresentam material genético próprio. Nas bactérias, que não possuem núcleo delimitado por membrana, o cromossomo ocupa uma região chamada nucleoide.

Genes e cromossomos

Um gene é uma região do DNA cuja informação permite produzir um RNA funcional. Em muitos casos, esse RNA participa da produção de uma proteína; em outros, o próprio RNA atua na célula. As proteínas exercem funções como catalisar reações ou compor estruturas celulares. Por essas atividades, os genes participam da formação das características dos organismos.

O DNA das células eucarióticas se associa a proteínas e forma a cromatina. Durante a divisão celular, esse material se condensa e permite observar os cromossomos com maior nitidez. Cada cromossomo contém numerosos genes, situados em posições chamadas loci, plural de locus.

Nas células somáticas humanas nucleadas, a constituição cromossômica típica é de 46 cromossomos, organizados em 23 pares. Um integrante de cada par tem origem materna, e o outro tem origem paterna. Os cromossomos de um par homólogo apresentam genes correspondentes em posições equivalentes, embora possam carregar versões diferentes desses genes. O par X e Y possui particularidades, com homologia restrita a certas regiões.

Alelos, genótipo e fenótipo

Os alelos são versões de um gene. Em um organismo diploide, um locus autossômico costuma estar presente em duas cópias, uma em cada cromossomo homólogo. Quando os dois alelos são iguais, o indivíduo é homozigoto para aquele locus; quando são diferentes, é heterozigoto.

O genótipo corresponde à constituição genética considerada no estudo. Em um exemplo com dois alelos, podemos escrever AA, Aa ou aa. O fenótipo corresponde às características observáveis ou mensuráveis, como a presença de determinado pigmento ou a atividade de uma enzima. Ele depende do genótipo e das condições em que o organismo se desenvolve.

Em um caso de dominância completa, o heterozigoto Aa apresenta o mesmo fenótipo associado ao homozigoto AA. Chamamos A de alelo dominante e a de recessivo nessa relação. A palavra dominante não indica que um alelo seja mais frequente, mais vantajoso ou mais forte. Um alelo recessivo pode ser comum em uma população.

Expressão gênica e produção de proteínas

Na expressão de um gene codificador de proteína, a célula realiza a transcrição: utiliza uma das cadeias de DNA como molde para produzir RNA. Nas células eucarióticas, o RNA mensageiro passa por processamento antes de participar da tradução nos ribossomos.

Durante a tradução, o ribossomo lê o RNA mensageiro em grupos de três nucleotídeos, chamados códons. Moléculas de RNA transportador entregam aminoácidos, que se unem para formar uma cadeia. A sequência de aminoácidos e o dobramento dessa cadeia participam da formação de uma proteína funcional.

As células regulam quais genes utilizam e em que quantidade produzem seus produtos. Por isso, células musculares e neurônios podem apresentar funções distintas apesar de compartilharem, em geral, o mesmo genoma. Genoma é o conjunto do material genético de um organismo.

Replicação do DNA e mitose

Antes de uma divisão celular, a célula duplica seu DNA por replicação. As duas cadeias se separam, e enzimas produzem cadeias complementares. Cada molécula resultante conserva uma cadeia anterior e contém uma cadeia nova; por isso, a replicação recebe o nome de semiconservativa.

Depois da duplicação, cada cromossomo apresenta duas cromátides-irmãs. Na mitose, elas se separam, e cada núcleo formado recebe um conjunto cromossômico equivalente ao do núcleo de origem, salvo alterações. A mitose participa do crescimento e da renovação dos tecidos. Na duplicação do DNA, a quantidade de material genético aumenta, mas a contagem de cromossomos por centrômero permanece igual até a separação das cromátides.

Meiose e diversidade genética

Na meiose, uma célula diploide passa por duas divisões após uma única duplicação do DNA. Na primeira divisão, os cromossomos homólogos se separam. Na segunda, ocorre a separação das cromátides-irmãs. O processo reduz à metade o número de conjuntos cromossômicos.

Na espécie humana, os gametas apresentam, em condições típicas, 23 cromossomos. Na fecundação, a união de um espermatozoide com um ovócito restabelece o número diploide de 46 cromossomos no zigoto.

A diversidade genética associada à reprodução sexuada envolve os seguintes processos:

• No crossing-over, cromátides não irmãs de cromossomos homólogos trocam segmentos durante a prófase I da meiose, produzindo novas combinações de alelos.

• Na distribuição dos cromossomos homólogos, cada par se orienta na primeira divisão sem depender da orientação dos demais pares, permitindo combinações de cromossomos maternos e paternos.

• Na fecundação, a união dos gametas combina materiais genéticos de dois indivíduos.

Mendel e o estudo da hereditariedade

No século XIX, Gregor Mendel realizou cruzamentos com ervilhas e contou os descendentes que apresentavam características escolhidas para seus experimentos. Ele trabalhou com linhagens puras, que mantinham a característica estudada ao longo de gerações por autofecundação.

Ao cruzar determinadas linhagens contrastantes, Mendel observou descendentes de primeira geração com apenas um dos fenótipos. Na geração seguinte, o outro fenótipo reaparecia. Ele propôs que os indivíduos possuíam fatores hereditários em pares e que esses fatores se separavam na formação dos gametas. O conhecimento posterior sobre os cromossomos permitiu relacionar esse comportamento à meiose.

Primeira lei de Mendel

A primeira lei, ou lei da segregação, estabelece que os dois alelos de um locus se separam durante a formação dos gametas. Cada gameta recebe apenas um deles. Em um indivíduo Aa, espera-se que metade dos gametas carregue A e a outra metade carregue a, nas condições do modelo mendeliano.

No cruzamento Aa × Aa, cada genitor pode fornecer A ou a. As combinações possíveis são AA, Aa, Aa e aa, cada uma com probabilidade de 25%. A proporção genotípica esperada é 1 AA : 2 Aa : 1 aa. Com dominância completa, a proporção fenotípica esperada é de três descendentes com o fenótipo dominante para um com o recessivo.

Essas proporções são probabilidades. Quatro descendentes de um cruzamento não precisam incluir exatamente um indivíduo aa. Em uma família, a chance de determinado genótipo em uma concepção não se altera porque os filhos anteriores apresentaram outros genótipos, mantidas as mesmas condições.

Probabilidades e cruzamento-teste

Para calcular a chance de dois eventos independentes ocorrerem juntos, multiplicamos suas probabilidades. No cruzamento Aa × Aa, a chance de dois descendentes sucessivos serem aa é 1/4 × 1/4 = 1/16. Quando resultados são mutuamente exclusivos, somamos as probabilidades: a chance de um descendente ser AA ou aa nesse cruzamento é 1/4 + 1/4 = 1/2.

No cruzamento-teste, um indivíduo de fenótipo dominante e genótipo desconhecido é cruzado com um homozigoto recessivo. No modelo de dominância completa, um descendente recessivo permite concluir que o genitor investigado é heterozigoto. Se aparecerem apenas descendentes dominantes em uma amostra pequena, ainda não é possível assegurar que ele seja AA, pois um heterozigoto também pode produzir esse resultado por acaso.

Segunda lei de Mendel e ligação gênica

A segunda lei trata da distribuição independente dos alelos de genes diferentes. Ela se aplica a genes situados em cromossomos distintos e pode descrever o comportamento de genes muito distantes no mesmo cromossomo, cuja frequência de recombinação se aproxima de 50%.

Se dois loci apresentarem segregação independente, um indivíduo AaBb produzirá os gametas AB, Ab, aB e ab em proporções esperadas iguais. No cruzamento AaBb × AaBb, com dominância completa nos dois loci e sem interação que altere os fenótipos considerados, a proporção fenotípica esperada será 9 : 3 : 3 : 1.

Genes próximos no mesmo cromossomo apresentam ligação gênica e tendem a ser transmitidos juntos. O crossing-over pode separar suas combinações de alelos. Para genes ligados, a frequência de recombinação permite estimar a distância genética: quanto maior essa frequência, dentro dos limites do método, maior a distância estimada entre os loci.

Dominância incompleta e codominância

Na dominância incompleta, o heterozigoto apresenta um fenótipo intermediário em relação aos homozigotos. Em certas variedades de boca-de-leão, o cruzamento de plantas de flores vermelhas com plantas de flores brancas produz descendentes de flores rosas. Os alelos mantêm sua identidade e voltam a se separar na formação dos gametas.

Na codominância, o heterozigoto expressa produtos dos dois alelos. Uma pessoa do grupo sanguíneo AB, por exemplo, apresenta antígenos A e B nas hemácias. Nesses padrões, os alelos continuam sujeitos à segregação; o que muda é a relação entre genótipo e fenótipo.

Herança poligênica, pleiotropia e epistasia

Na herança poligênica, vários genes participam de uma característica. A altura humana depende de muitos loci e também sofre influência das condições de nutrição e saúde durante o desenvolvimento. Por isso, sua distribuição em uma população não se reduz às proporções de um cruzamento com um único gene.

Na pleiotropia, um mesmo gene influencia mais de uma característica. Isso pode ocorrer porque o produto desse gene atua em vários tecidos ou participa de uma etapa metabólica com consequências em outras funções do organismo.

Na epistasia, a ação de um gene interfere na expressão fenotípica de outro. Na pelagem de cães labradores, por exemplo, um locus participa da definição do pigmento escuro, e outro interfere em sua deposição nos pelos. Certas combinações nesse segundo locus produzem pelagem amarela, mesmo quando o animal possui alelos associados à pigmentação preta no primeiro.

Herança ligada ao sexo e herança mitocondrial

Na constituição cromossômica humana típica, indivíduos XX possuem duas cópias dos genes do X, enquanto indivíduos XY possuem apenas uma cópia de muitos desses genes. Por isso, um alelo recessivo situado em uma região do X sem correspondente no Y pode se expressar em indivíduos XY com uma única cópia.

Algumas formas hereditárias de daltonismo seguem esse padrão. Um pai transmite seu cromossomo X às filhas e seu Y aos filhos, no modelo XX/XY. Assim, ele não transmite aos filhos homens um alelo situado no X. Em exercícios, é preciso indicar a localização do gene e o genótipo dos genitores antes de calcular as probabilidades.

O DNA mitocondrial humano apresenta transmissão materna: as mitocôndrias do embrião derivam, em condições usuais, do ovócito. Esse padrão difere da herança dos genes nucleares. Uma pessoa pode apresentar mitocôndrias com sequências de DNA distintas, condição chamada heteroplasmia, que pode alterar a manifestação de características associadas a esse material.

Heredogramas

Um heredograma é um esquema usado para acompanhar uma característica ao longo das gerações de uma família. Na convenção escolar mais usada, quadrados indicam indivíduos do sexo masculino e círculos indicam indivíduos do sexo feminino. O preenchimento do símbolo identifica quem apresenta a característica estudada; linhas conectam os integrantes da família.

Para analisar o esquema, devemos comparar as hipóteses de herança com os fenótipos registrados. Em um modelo autossômico recessivo, dois genitores sem o fenótipo recessivo podem ter um filho que o apresenta se ambos forem heterozigotos. Um heredograma pequeno pode admitir mais de uma explicação, especialmente quando faltam informações sobre os genótipos.

Mutações e alterações cromossômicas

Mutações são alterações na sequência do DNA. Elas podem surgir durante a replicação ou após danos provocados por agentes como a radiação ultravioleta. As células possuem sistemas de reparo, mas algumas alterações permanecem e passam às células descendentes.

Uma mutação pode não alterar o fenótipo, prejudicar uma função ou conferir uma vantagem em determinadas condições. Seu efeito depende da região atingida e do ambiente. As mutações originam novos alelos; a recombinação reorganiza alelos que já existem.

As alterações cromossômicas podem afetar a estrutura dos cromossomos ou seu número. A não disjunção, que corresponde a uma falha na separação de cromossomos homólogos ou de cromátides, pode produzir células com cromossomos a mais ou a menos. Na forma mais comum da síndrome de Down, há três cópias do cromossomo 21.

Uma alteração em células da linhagem germinativa pode chegar aos descendentes pela reprodução. Alterações somáticas passam às células originadas por divisão da célula alterada, mas, na reprodução sexuada humana, em geral não passam aos filhos. Algumas participam do desenvolvimento de tumores ao afetarem genes que regulam a divisão celular.

Ambiente e regulação epigenética

A exposição à luz modifica a produção de pigmentos em certas plantas. Em seres humanos, alimentação e prática de exercícios influenciam características do corpo. Esses exemplos mostram por que o estudo de um fenótipo exige considerar as condições ambientais e o desenvolvimento do organismo.

Na regulação epigenética, mudanças como a metilação do DNA e alterações em proteínas da cromatina participam do controle da atividade dos genes sem modificar a sequência de bases. Algumas dessas marcas persistem durante divisões celulares. A transmissão entre gerações de organismos possui limites e depende do mecanismo; não se deve supor que toda mudança causada pelo ambiente será herdada pelos filhos.

Genética de populações e evolução

A Genética de populações acompanha as frequências de alelos e genótipos em populações. Quando essas frequências mudam ao longo das gerações, ocorre evolução. A seleção natural favorece, em determinado ambiente, variantes hereditárias associadas a maior sucesso reprodutivo. A deriva genética altera frequências por acaso e tende a produzir efeitos mais intensos em populações pequenas.

O fluxo gênico ocorre quando indivíduos ou gametas transferem alelos entre populações. Mutações acrescentam novas variantes ao conjunto disponível. Esses processos podem atuar juntos.

O modelo de Hardy-Weinberg descreve uma população ideal com acasalamento ao acaso e tamanho muito grande, sem seleção natural, mutação ou fluxo gênico. Para um locus com dois alelos de frequências p e q, temos p + q = 1 e frequências genotípicas esperadas p² + 2pq + q² = 1. Se q = 0,2, a frequência esperada do homozigoto recessivo será q² = 0,04, ou 4%, desde que se cumpram as condições do modelo.

Aplicações da Genética e cuidados com os dados

Na agricultura, pesquisadores utilizam cruzamentos e marcadores de DNA para selecionar plantas com características desejadas. Na produção de medicamentos, podem inserir um gene humano em microrganismos para obter proteínas como a insulina. A engenharia genética permite modificar o material genético por técnicas de laboratório.

Na identificação de pessoas, especialistas comparam regiões variáveis do DNA. Eles calculam a probabilidade de observar os perfis encontrados e avaliam a qualidade das amostras. Na saúde, profissionais podem investigar variantes associadas a condições hereditárias; o significado de um resultado depende do gene analisado e do conhecimento sobre aquela variante.

Dados genéticos também trazem informações sobre parentes biológicos. Seu uso exige consentimento e proteção da privacidade. Características complexas, como desempenho escolar, envolvem numerosas influências e não podem ser previstas por uma explicação baseada em um único gene.

Você sabia?

• O endosperma de muitas plantas com flores apresenta três conjuntos de cromossomos. Esse tecido se forma quando um gameta masculino se une à célula central do saco embrionário e pode armazenar nutrientes utilizados pelo embrião.

• Os telômeros são regiões situadas nas extremidades dos cromossomos lineares. Suas sequências repetitivas e as proteínas associadas protegem essas extremidades, que poderiam ser reconhecidas pela célula como quebras no DNA.

• Algumas sequências de DNA, chamadas elementos transponíveis, podem mudar de posição no genoma ou gerar cópias em novos locais. Barbara McClintock identificou esse tipo de fenômeno ao estudar padrões de pigmentação em grãos de milho.

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