Genética - Genetics

A genética é um ramo da biologia preocupado com o estudo dos genes , variação genética e hereditariedade nos organismos .

Embora a hereditariedade tenha sido observada por milênios, Gregor Mendel , cientista da Morávia e frade agostiniano que trabalhava no século 19 em Brno , foi o primeiro a estudar genética cientificamente. Mendel estudou a "herança de traços", padrões na forma como os traços são transmitidos de pais para filhos ao longo do tempo. Ele observou que os organismos (plantas de ervilha) herdam características por meio de discretas "unidades de herança". Esse termo, usado ainda hoje, é uma definição um tanto ambígua do que é conhecido como gene.

Herança de traços e mecanismos de herança molecular de genes ainda são princípios básicos da genética no século 21, mas a genética moderna se expandiu além da herança para estudar a função e o comportamento dos genes. A estrutura e função do gene, a variação e a distribuição são estudadas no contexto da célula , do organismo (por exemplo, dominância ) e no contexto de uma população. A genética deu origem a uma série de subcampos, incluindo genética molecular , epigenética e genética populacional . Os organismos estudados dentro do amplo campo abrangem os domínios da vida ( arquéias , bactérias e eucariontes ).

Os processos genéticos funcionam em combinação com o ambiente e as experiências de um organismo para influenciar o desenvolvimento e o comportamento , geralmente chamados de natureza versus criação . O ambiente intracelular ou extracelular de uma célula viva ou organismo pode ativar ou desativar a transcrição gênica. Um exemplo clássico são duas sementes de milho geneticamente idênticas, uma colocada em um clima temperado e outra em um clima árido (sem cachoeira ou chuva suficiente). Enquanto a altura média dos dois colmos de milho pode ser determinada geneticamente para ser igual, o do clima árido cresce apenas até a metade do do clima temperado devido à falta de água e nutrientes em seu ambiente.

Etimologia

A palavra genética deriva do grego antigo γενετικός genetikos que significa "genitivo" / "generativo", que por sua vez deriva de γένεσις genesis que significa "origem".

História

A observação de que os seres vivos herdam características de seus pais tem sido usada desde os tempos pré-históricos para melhorar as plantas e os animais por meio de reprodução seletiva . A moderna ciência da genética, buscando compreender esse processo, começou com a obra do frade agostiniano Gregor Mendel em meados do século XIX.

Antes de Mendel, Imre Festetics , um nobre húngaro , que viveu em Kőszeg antes de Mendel, foi o primeiro a usar a palavra "genética". Ele descreveu várias regras de herança genética em sua obra A lei genética da Natureza (Die genetische Gesätze der Natur, 1819). Sua segunda lei é a mesma que Mendel publicou. Em sua terceira lei, ele desenvolveu os princípios básicos da mutação (ele pode ser considerado um precursor de Hugo de Vries ).

A herança combinada leva à média de todas as características, o que, como apontou o engenheiro Fleeming Jenkin , torna a evolução por seleção natural impossível.

Outras teorias de herança precederam o trabalho de Mendel. Uma teoria popular durante o século 19, e implícita em A Origem das Espécies de Charles Darwin , em 1859 , era a herança da mistura : a ideia de que os indivíduos herdam uma mistura suave de características de seus pais. O trabalho de Mendel forneceu exemplos em que as características definitivamente não foram combinadas após a hibridização, mostrando que as características são produzidas por combinações de genes distintos, em vez de uma combinação contínua. A combinação de características na progênie agora é explicada pela ação de múltiplos genes com efeitos quantitativos . Outra teoria que teve algum respaldo na época foi a herança de características adquiridas : a crença de que os indivíduos herdam traços fortalecidos pelos pais. Esta teoria (comumente associada a Jean-Baptiste Lamarck ) é agora conhecida por estar errada - as experiências dos indivíduos não afetam os genes que eles passam para seus filhos. Outras teorias incluíam a pangênese de Charles Darwin (que tinha adquirido e herdado aspectos) e a reformulação de Francis Galton da pangênese como particulada e hereditária.

Genética Mendeliana e Clássica

A observação de Morgan sobre a herança ligada ao sexo de uma mutação que causa olhos brancos em Drosophila o levou à hipótese de que os genes estão localizados nos cromossomos.

A genética moderna começou com os estudos de Mendel sobre a natureza da herança das plantas. Em seu artigo " Versuche über Pflanzenhybriden " (" Experiments on Plant Hybridization "), apresentado em 1865 ao Naturforschender Verein (Society for Research in Nature) em Brünn , Mendel traçou os padrões de herança de certas características em plantas de ervilha e os descreveu matematicamente. Embora esse padrão de herança só pudesse ser observado para alguns traços, o trabalho de Mendel sugeria que a hereditariedade era particulada, não adquirida, e que os padrões de herança de muitos traços podiam ser explicados por meio de regras e proporções simples.

A importância do trabalho de Mendel não ganhou amplo entendimento até 1900, após sua morte, quando Hugo de Vries e outros cientistas redescobriram sua pesquisa. William Bateson , um proponente do trabalho de Mendel, cunhou a palavra genética em 1905 (o adjetivo genético , derivado da palavra grega genesis —γένεσις, "origem", antecede o substantivo e foi usado pela primeira vez em um sentido biológico em 1860). Bateson atuou como mentor e foi ajudado significativamente pelo trabalho de outros cientistas do Newnham College em Cambridge, especificamente o trabalho de Becky Saunders , Nora Darwin Barlow e Muriel Wheldale Onslow . Bateson popularizou o uso da palavra genética para descrever o estudo da herança em seu discurso inaugural na Terceira Conferência Internacional sobre Hibridização de Plantas em Londres em 1906.

Após a redescoberta do trabalho de Mendel, os cientistas tentaram determinar quais moléculas na célula eram responsáveis ​​pela herança. Em 1900, Nettie Stevens começou a estudar a larva da farinha. Nos 11 anos seguintes, ela descobriu que as mulheres só tinham o cromossomo X e os homens tinham os cromossomos X e Y. Ela conseguiu concluir que o sexo é um fator cromossômico e é determinado pelo homem. Em 1911, Thomas Hunt Morgan argumentou que os genes estão nos cromossomos , com base em observações de uma mutação no olho branco ligada ao sexo em moscas-das-frutas . Em 1913, seu aluno Alfred Sturtevant usou o fenômeno da ligação genética para mostrar que os genes estão dispostos linearmente no cromossomo.

Genética molecular

DNA , a base molecular da herança biológica . Cada fita de DNA é uma cadeia de nucleotídeos , combinando-se no centro para formar o que parecem degraus em uma escada torcida.

Embora se soubesse da existência de genes em cromossomos, os cromossomos são compostos de proteína e DNA, e os cientistas não sabiam qual dos dois é responsável pela herança. Em 1928, Frederick Griffith descobriu o fenômeno da transformação (veja o experimento de Griffith ): bactérias mortas poderiam transferir material genético para "transformar" outras bactérias ainda vivas. Dezesseis anos depois, em 1944, o experimento Avery – MacLeod – McCarty identificou o DNA como a molécula responsável pela transformação. O papel do núcleo como repositório de informações genéticas em eucariotos foi estabelecido por Hämmerling em 1943 em seu trabalho sobre a alga unicelular Acetabularia . O experimento Hershey-Chase em 1952 confirmou que o DNA (em vez da proteína) é o material genético dos vírus que infectam as bactérias, fornecendo mais evidências de que o DNA é a molécula responsável pela herança.

James Watson e Francis Crick determinaram a estrutura do DNA em 1953, usando o trabalho de cristalografia de raios-X de Rosalind Franklin e Maurice Wilkins, que indicou que o DNA tem uma estrutura helicoidal (ou seja, em forma de saca-rolhas). Seu modelo de dupla hélice tinha duas fitas de DNA com os nucleotídeos apontando para dentro, cada uma correspondendo a um nucleotídeo complementar na outra fita para formar o que pareciam degraus em uma escada torcida. Essa estrutura mostrou que a informação genética existe na sequência de nucleotídeos em cada fita de DNA. A estrutura também sugeriu um método simples de replicação : se as fitas forem separadas, novas fitas parceiras podem ser reconstruídas para cada uma com base na sequência da fita antiga. Essa propriedade é o que dá ao DNA sua natureza semiconservadora, onde uma fita do novo DNA é de uma fita-mãe original.

Embora a estrutura do DNA mostrasse como funciona a herança, ainda não se sabia como o DNA influencia o comportamento das células. Nos anos seguintes, os cientistas tentaram entender como o DNA controla o processo de produção de proteínas . Foi descoberto que a célula usa o DNA como molde para criar RNA mensageiro correspondente , moléculas com nucleotídeos muito semelhantes ao DNA. A sequência de nucleotídeos de um RNA mensageiro é usada para criar uma sequência de aminoácidos na proteína; esta tradução entre sequências de nucleotídeos e sequências de aminoácidos é conhecida como código genético .

Com a nova compreensão molecular da herança, veio uma explosão de pesquisas. Uma teoria notável surgiu de Tomoko Ohta em 1973 com sua emenda à teoria neutra da evolução molecular através da publicação da teoria quase neutra da evolução molecular . Nessa teoria, Ohta enfatizou a importância da seleção natural e do meio ambiente para a taxa em que ocorre a evolução genética. Um desenvolvimento importante foi o sequenciamento de DNA de terminação de cadeia em 1977 por Frederick Sanger . Essa tecnologia permite que os cientistas leiam a sequência de nucleotídeos de uma molécula de DNA. Em 1983, Kary Banks Mullis desenvolveu a reação em cadeia da polimerase , fornecendo uma maneira rápida de isolar e amplificar uma seção específica de DNA de uma mistura. Os esforços do Projeto Genoma Humano , Departamento de Energia, NIH e esforços privados paralelos da Celera Genomics levaram ao sequenciamento do genoma humano em 2003.

Características de herança

Herança discreta e leis de Mendel

Um quadrado de Punnett representando um cruzamento entre duas plantas de ervilha heterozigotas para flores roxas (B) e brancas (b).

Em seu nível mais fundamental, a herança nos organismos ocorre pela passagem de unidades hereditárias discretas, chamadas genes , dos pais para os filhos. Essa propriedade foi observada pela primeira vez por Gregor Mendel , que estudou a segregação de características hereditárias em plantas de ervilha . Em seus experimentos que estudaram a característica da cor da flor, Mendel observou que as flores de cada ervilha eram roxas ou brancas - mas nunca um intermediário entre as duas cores. Essas versões diferentes e discretas do mesmo gene são chamadas de alelos .

No caso da ervilha, que é uma espécie diplóide , cada planta individual possui duas cópias de cada gene, uma cópia herdada de cada pai. Muitas espécies, incluindo humanos, têm esse padrão de herança. Organismos diplóides com duas cópias do mesmo alelo de um determinado gene são chamados de homozigotos nesse locus gênico , enquanto organismos com dois alelos diferentes de um determinado gene são chamados de heterozigotos .

O conjunto de alelos para um determinado organismo é chamado de genótipo , enquanto as características observáveis ​​do organismo são chamadas de fenótipo . Quando os organismos são heterozigotos em um gene, geralmente um alelo é denominado dominante, pois suas qualidades dominam o fenótipo do organismo, enquanto o outro alelo é denominado recessivo, pois suas qualidades diminuem e não são observadas. Alguns alelos não têm dominância completa e, em vez disso, têm dominância incompleta , expressando um fenótipo intermediário, ou codominância , expressando ambos os alelos de uma vez.

Quando um par de organismos se reproduz sexualmente , seus descendentes herdam aleatoriamente um dos dois alelos de cada pai. Essas observações de herança discreta e segregação de alelos são conhecidas coletivamente como a primeira lei de Mendel ou Lei da Segregação.

Notação e diagramas

Os gráficos de linhagem genética ajudam a rastrear os padrões de herança das características.

Os geneticistas usam diagramas e símbolos para descrever a herança. Um gene é representado por uma ou algumas letras. Freqüentemente, um símbolo "+" é usado para marcar o alelo usual não mutante de um gene.

Em experimentos de fertilização e reprodução (e especialmente quando discutindo as leis de Mendel), os pais são chamados de geração "P" e os descendentes como geração "F1" (primeira filial). Quando os descendentes F1 acasalam uns com os outros, os descendentes são chamados de geração "F2" (segunda filial). Um dos diagramas comuns usados ​​para prever o resultado do cruzamento é o quadrado de Punnett .

Ao estudar doenças genéticas humanas, os geneticistas costumam usar gráficos de linhagem para representar a herança das características. Esses gráficos mapeiam a herança de uma característica em uma árvore genealógica.

Múltiplas interações de genes

A altura humana é uma característica com causas genéticas complexas. Os dados de Francis Galton de 1889 mostram a relação entre a altura da prole como uma função da altura média dos pais.

Os organismos têm milhares de genes e, nos organismos que se reproduzem sexualmente, esses genes geralmente se agrupam independentemente uns dos outros. Isso significa que a herança de um alelo para a cor amarela ou verde da ervilha não está relacionada à herança de alelos para flores brancas ou roxas. Esse fenômeno, conhecido como " segunda lei de Mendel " ou "lei da classificação independente", significa que os alelos de diferentes genes são misturados entre os pais para formar descendentes com muitas combinações diferentes. (Alguns genes não são classificados de forma independente, demonstrando ligação genética , um tópico discutido posteriormente neste artigo.)

Freqüentemente, genes diferentes podem interagir de uma forma que influencia o mesmo traço. Na Mary de olhos azuis ( Omphalodes verna ), por exemplo, existe um gene com alelos que determinam a cor das flores: azul ou magenta. Outro gene, entretanto, controla se as flores têm cor ou são brancas. Quando uma planta tem duas cópias desse alelo branco, suas flores são brancas - independentemente de o primeiro gene ter alelos azuis ou magenta. Essa interação entre os genes é chamada de epistasia , com o segundo gene epistático ao primeiro.

Muitas características não são características discretas (por exemplo, flores roxas ou brancas), mas sim características contínuas (por exemplo, altura humana e cor da pele ). Essas características complexas são produtos de muitos genes. A influência desses genes é mediada, em vários graus, pelo ambiente que um organismo experimentou. O grau em que os genes de um organismo contribuem para uma característica complexa é denominado herdabilidade . A medição da herdabilidade de uma característica é relativa - em um ambiente mais variável, o ambiente tem uma influência maior na variação total da característica. Por exemplo, a altura humana é uma característica com causas complexas. Tem uma herdabilidade de 89% nos Estados Unidos. Na Nigéria, no entanto, onde as pessoas experimentam um acesso mais variável a uma boa nutrição e cuidados de saúde , a altura tem uma herdabilidade de apenas 62%.

Base molecular para herança

DNA e cromossomos

A estrutura molecular do DNA. As bases se emparelham por meio do arranjo de ligações de hidrogênio entre os fios.
Sequência de DNA

A base molecular dos genes é o ácido desoxirribonucléico (DNA). O DNA é composto por uma cadeia de nucleotídeos , dos quais existem quatro tipos: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). A informação genética existe na sequência desses nucleotídeos, e os genes existem como trechos de sequência ao longo da cadeia de DNA. Os vírus são a única exceção a essa regra - às vezes, os vírus usam a molécula muito semelhante de RNA em vez de DNA como seu material genético. Os vírus não podem se reproduzir sem um hospedeiro e não são afetados por muitos processos genéticos, portanto, tendem a não ser considerados organismos vivos.

O DNA normalmente existe como uma molécula de fita dupla, enrolada na forma de uma dupla hélice . Cada nucleotídeo no DNA preferencialmente emparelha com seu nucleotídeo parceiro na fita oposta: A emparelha com T e C emparelha com G. Assim, em sua forma de duas fitas, cada fita efetivamente contém todas as informações necessárias, redundantes com sua fita parceira. Esta estrutura do DNA é a base física para a herança: a replicação do DNA duplica a informação genética ao dividir as fitas e usar cada fita como molde para a síntese de uma nova fita parceira.

Os genes são organizados linearmente ao longo de longas cadeias de sequências de pares de bases de DNA. Nas bactérias , cada célula geralmente contém um único genóforo circular , enquanto os organismos eucarióticos (como plantas e animais) têm seu DNA organizado em vários cromossomos lineares. Essas fitas de DNA costumam ser extremamente longas; o maior cromossomo humano, por exemplo, tem cerca de 247 milhões de pares de bases de comprimento. O DNA de um cromossomo está associado a proteínas estruturais que organizam, compactam e controlam o acesso ao DNA, formando um material denominado cromatina ; em eucariotos, a cromatina é geralmente composta de nucleossomos , segmentos de DNA enrolados em torno de núcleos de proteínas histonas . O conjunto completo de material hereditário em um organismo (geralmente as sequências de DNA combinadas de todos os cromossomos) é chamado de genoma .

O DNA é mais frequentemente encontrado no núcleo das células, mas Ruth Sager ajudou na descoberta de genes não cromossômicos encontrados fora do núcleo. Nas plantas, são freqüentemente encontrados nos cloroplastos e em outros organismos, nas mitocôndrias. Esses genes não cromossômicos ainda podem ser transmitidos por qualquer um dos parceiros na reprodução sexual e controlam uma variedade de características hereditárias que se replicam e permanecem ativas ao longo das gerações.

Embora os organismos haplóides tenham apenas uma cópia de cada cromossomo, a maioria dos animais e muitas plantas são diplóides , contendo duas cópias de cada cromossomo e, portanto, duas cópias de cada gene. Os dois alelos de um gene estão localizados em loci idênticos dos dois cromossomos homólogos , cada alelo herdado de um pai diferente.

Diagrama de Walther Flemming de 1882 da divisão celular eucariótica. Os cromossomos são copiados, condensados ​​e organizados. Então, conforme a célula se divide, as cópias dos cromossomos se separam nas células filhas.

Muitas espécies têm os chamados cromossomos sexuais que determinam o sexo de cada organismo. Em humanos e em muitos outros animais, o cromossomo Y contém o gene que desencadeia o desenvolvimento das características especificamente masculinas. Na evolução, esse cromossomo perdeu a maior parte de seu conteúdo e também a maioria de seus genes, enquanto o cromossomo X é semelhante aos outros cromossomos e contém muitos genes. Dito isso, Mary Frances Lyon descobriu que há inativação do cromossomo X durante a reprodução para evitar a transmissão do dobro de genes para a prole. A descoberta de Lyon levou à descoberta de outras coisas, incluindo doenças ligadas ao X. Os cromossomos X e Y formam um par fortemente heterogêneo.

Reprodução

Quando as células se dividem, seu genoma completo é copiado e cada célula filha herda uma cópia. Este processo, denominado mitose , é a forma mais simples de reprodução e é a base da reprodução assexuada . A reprodução assexuada também pode ocorrer em organismos multicelulares, produzindo descendentes que herdam seu genoma de um único pai. Filhos que são geneticamente idênticos aos pais são chamados de clones .

Os organismos eucarióticos costumam usar a reprodução sexuada para gerar descendentes que contêm uma mistura de material genético herdado de dois pais diferentes. O processo de reprodução sexuada se alterna entre formas que contêm cópias únicas do genoma ( haplóide ) e cópias duplas ( diplóide ). As células haplóides se fundem e combinam material genético para criar uma célula diplóide com cromossomos emparelhados. Os organismos diplóides formam haplóides ao se dividir, sem replicar seu DNA, para criar células-filhas que herdam aleatoriamente um de cada par de cromossomos. A maioria dos animais e muitas plantas são diplóides na maior parte de sua vida, com a forma haplóide reduzida a gametas de uma única célula , como espermatozoides ou óvulos .

Embora não usem o método haplóide / diplóide de reprodução sexuada, as bactérias têm muitos métodos para adquirir novas informações genéticas. Algumas bactérias podem sofrer conjugação , transferindo um pequeno pedaço circular de DNA para outra bactéria. As bactérias também podem pegar fragmentos de DNA brutos encontrados no ambiente e integrá-los em seus genomas, um fenômeno conhecido como transformação . Esses processos resultam na transferência horizontal de genes , transmitindo fragmentos de informação genética entre organismos que, de outra forma, não seriam relacionados. A transformação bacteriana natural ocorre em muitas espécies bacterianas e pode ser considerada um processo sexual de transferência de DNA de uma célula para outra (geralmente da mesma espécie). A transformação requer a ação de vários produtos gênicos bacterianos , e sua função adaptativa primária parece ser o reparo de danos ao DNA na célula receptora.

Recombinação e ligação genética

Ilustração de 1916 de Thomas Hunt Morgan de um cruzamento duplo entre cromossomos.

A natureza diplóide dos cromossomos permite que genes em cromossomos diferentes se agrupem independentemente ou sejam separados de seu par homólogo durante a reprodução sexual em que os gametas haplóides são formados. Dessa forma, novas combinações de genes podem ocorrer na prole de um casal que se acasala. Os genes no mesmo cromossomo teoricamente nunca se recombinariam. No entanto, eles o fazem, por meio do processo celular de cruzamento cromossômico . Durante o cruzamento, os cromossomos trocam trechos de DNA, efetivamente embaralhando os alelos do gene entre os cromossomos. Este processo de cruzamento cromossômico geralmente ocorre durante a meiose , uma série de divisões celulares que cria células haploides. A recombinação meiótica , particularmente em eucariotos microbianos , parece servir à função adaptativa de reparo de danos ao DNA.

A primeira demonstração citológica de crossing over foi realizada por Harriet Creighton e Barbara McClintock em 1931. Suas pesquisas e experimentos com milho forneceram evidências citológicas para a teoria genética de que genes ligados em cromossomos emparelhados de fato trocam de lugar de um homólogo para o outro.

A probabilidade de um cruzamento cromossômico ocorrer entre dois pontos dados no cromossomo está relacionada à distância entre os pontos. Para uma distância arbitrariamente longa, a probabilidade de cruzamento é alta o suficiente para que a herança dos genes seja efetivamente não correlacionada. Para genes que estão mais próximos, entretanto, a menor probabilidade de cruzamento significa que os genes demonstram ligação genética ; alelos para os dois genes tendem a ser herdados juntos. As quantidades de ligação entre uma série de genes podem ser combinadas para formar um mapa de ligação linear que descreve aproximadamente o arranjo dos genes ao longo do cromossomo.

Expressão genetica

Código genético

O código genético : usando um código tripleto , o DNA, por meio de um intermediário de RNA mensageiro , especifica uma proteína.

Os genes geralmente expressam seu efeito funcional por meio da produção de proteínas , que são moléculas complexas responsáveis ​​pela maioria das funções na célula. As proteínas são constituídas por uma ou mais cadeias polipeptídicas, cada uma das quais composta por uma sequência de aminoácidos , e a sequência de DNA de um gene (por meio de um intermediário de RNA) é usada para produzir uma sequência de aminoácidos específica . Esse processo começa com a produção de uma molécula de RNA com uma sequência correspondente à sequência de DNA do gene, um processo denominado transcrição .

Essa molécula de RNA mensageiro serve então para produzir uma sequência de aminoácidos correspondente por meio de um processo chamado tradução . Cada grupo de três nucleotídeos na sequência, denominado códon , corresponde a um dos vinte aminoácidos possíveis em uma proteína ou a uma instrução para encerrar a sequência de aminoácidos ; essa correspondência é chamada de código genético . O fluxo de informações é unidirecional: a informação é transferida das sequências de nucleotídeos para a sequência de aminoácidos das proteínas, mas nunca transfere da proteína de volta para a sequência do DNA - um fenômeno que Francis Crick chamou de dogma central da biologia molecular .

A sequência específica de aminoácidos resulta em uma estrutura tridimensional única para aquela proteína, e as estruturas tridimensionais das proteínas estão relacionadas às suas funções. Algumas são moléculas estruturais simples, como as fibras formadas pela proteína colágeno . As proteínas podem se ligar a outras proteínas e moléculas simples, às vezes agindo como enzimas , facilitando as reações químicas dentro das moléculas ligadas (sem alterar a estrutura da própria proteína). A estrutura da proteína é dinâmica; a proteína hemoglobina se curva em formas ligeiramente diferentes, pois facilita a captura, transporte e liberação de moléculas de oxigênio no sangue de mamíferos.

Uma única diferença de nucleotídeo dentro do DNA pode causar uma mudança na sequência de aminoácidos de uma proteína. Como as estruturas das proteínas são o resultado de suas sequências de aminoácidos, algumas mudanças podem alterar dramaticamente as propriedades de uma proteína ao desestabilizar a estrutura ou alterar a superfície da proteína de uma forma que altera sua interação com outras proteínas e moléculas. Por exemplo, a anemia falciforme é uma doença genética humana que resulta de uma diferença de base única dentro da região de codificação para a seção β-globina da hemoglobina, causando uma única alteração de aminoácido que altera as propriedades físicas da hemoglobina. As versões da célula falciforme da hemoglobina grudam-se em si mesmas, acumulando-se para formar fibras que distorcem a forma das células vermelhas do sangue que transportam a proteína. Essas células em forma de foice não fluem mais suavemente através dos vasos sanguíneos , tendo uma tendência a obstruir ou degradar, causando os problemas médicos associados a esta doença.

Algumas sequências de DNA são transcritas em RNA, mas não são traduzidas em produtos proteicos - tais moléculas de RNA são chamadas de RNA não codificante . Em alguns casos, esses produtos se dobram em estruturas que estão envolvidas em funções celulares críticas (por exemplo, RNA ribossômico e RNA de transferência ). O RNA também pode ter efeitos regulatórios por meio de interações de hibridização com outras moléculas de RNA (como microRNA ).

Natureza e criação

Os gatos siameses têm uma mutação de produção de pigmento sensível à temperatura.

Embora os genes contenham todas as informações que um organismo usa para funcionar, o ambiente desempenha um papel importante na determinação dos fenótipos finais que um organismo exibe. A frase " natureza e criação " refere-se a essa relação complementar. O fenótipo de um organismo depende da interação dos genes e do ambiente. Um exemplo interessante é a coloração da pelagem do gato siamês . Nesse caso, a temperatura corporal do gato desempenha o papel do meio ambiente. Os genes do gato codificam para cabelo escuro, portanto, as células produtoras de cabelo no gato produzem proteínas celulares resultando em cabelo escuro. Mas essas proteínas produtoras de cabelo escuro são sensíveis à temperatura (ou seja, têm uma mutação que causa sensibilidade à temperatura) e desnaturam em ambientes de alta temperatura, deixando de produzir pigmento de cabelo escuro em áreas onde o gato tem uma temperatura corporal mais alta. Em um ambiente de baixa temperatura, entretanto, a estrutura da proteína é estável e normalmente produz pigmentos de cabelo escuro. A proteína permanece funcional em áreas da pele mais frias - como pernas, orelhas, cauda e rosto - então o gato tem pelos escuros nas extremidades.

O ambiente desempenha um papel importante nos efeitos da fenilcetonúria, doença genética humana . A mutação que causa a fenilcetonúria interrompe a capacidade do corpo de quebrar o aminoácido fenilalanina , causando um acúmulo tóxico de uma molécula intermediária que, por sua vez, causa sintomas graves de deficiência intelectual progressiva e convulsões. No entanto, se alguém com a mutação da fenilcetonúria segue uma dieta rígida que evita esse aminoácido, ele permanece normal e saudável.

Um método comum para determinar como os genes e o ambiente ("natureza e criação") contribuem para um fenótipo envolve o estudo de gêmeos idênticos e fraternos , ou outros irmãos de nascimentos múltiplos . Irmãos idênticos são geneticamente iguais, pois vêm do mesmo zigoto. Enquanto isso, gêmeos fraternos são tão geneticamente diferentes uns dos outros quanto irmãos normais. Ao comparar a frequência com que um determinado distúrbio ocorre em um par de gêmeos idênticos com a frequência com que ocorre em um par de gêmeos fraternos, os cientistas podem determinar se esse distúrbio é causado por fatores ambientais genéticos ou pós-natais. Um exemplo famoso envolveu o estudo dos quadrigêmeos Genain , que eram quadrigêmeos idênticos, todos com diagnóstico de esquizofrenia . No entanto, esses testes não podem separar os fatores genéticos dos fatores ambientais que afetam o desenvolvimento fetal.

Regulação do gene

O genoma de um determinado organismo contém milhares de genes, mas nem todos esses genes precisam estar ativos em um determinado momento. Um gene é expresso quando está sendo transcrito em mRNA e existem muitos métodos celulares de controle da expressão de genes, de modo que as proteínas são produzidas apenas quando necessárias pela célula. Fatores de transcrição são proteínas regulatórias que se ligam ao DNA, promovendo ou inibindo a transcrição de um gene. No genoma da bactéria Escherichia coli , por exemplo, existe uma série de genes necessários para a síntese do aminoácido triptofano . No entanto, quando o triptofano já está disponível para a célula, esses genes para a síntese do triptofano não são mais necessários. A presença de triptofano afeta diretamente a atividade dos genes - as moléculas de triptofano se ligam ao repressor de triptofano (um fator de transcrição), mudando a estrutura do repressor de modo que o repressor se liga aos genes. O repressor de triptofano bloqueia a transcrição e expressão dos genes, criando assim a regulação por feedback negativo do processo de síntese do triptofano.

Fatores de transcrição ligam-se ao DNA, influenciando a transcrição de genes associados.

As diferenças na expressão gênica são especialmente claras em organismos multicelulares , onde todas as células contêm o mesmo genoma, mas têm estruturas e comportamentos muito diferentes devido à expressão de diferentes conjuntos de genes. Todas as células em um organismo multicelular derivam de uma única célula, diferenciando-se em tipos de células variantes em resposta a sinais externos e intercelulares e estabelecendo gradualmente diferentes padrões de expressão gênica para criar diferentes comportamentos. Como nenhum gene é responsável pelo desenvolvimento de estruturas em organismos multicelulares, esses padrões surgem de interações complexas entre muitas células.

Dentro dos eucariotos , existem características estruturais da cromatina que influenciam a transcrição de genes, frequentemente na forma de modificações no DNA e na cromatina que são herdadas de forma estável pelas células-filhas. Essas características são chamadas de " epigenéticas " porque existem "no topo" da sequência de DNA e retêm a herança de uma geração de células para a seguinte. Devido às características epigenéticas, diferentes tipos de células cultivadas no mesmo meio podem reter propriedades muito diferentes. Embora as características epigenéticas sejam geralmente dinâmicas ao longo do desenvolvimento, algumas, como o fenômeno da paramutação , têm herança multigeracional e existem como raras exceções à regra geral do DNA como base para a herança.

Mudança genética

Mutações

A duplicação de genes permite a diversificação ao fornecer redundância: um gene pode sofrer mutação e perder sua função original sem prejudicar o organismo.

Durante o processo de replicação do DNA , ocasionalmente ocorrem erros na polimerização da segunda fita. Esses erros, chamados de mutações , podem afetar o fenótipo de um organismo, especialmente se ocorrerem dentro da sequência codificadora da proteína de um gene. As taxas de erro são geralmente muito baixas - 1 erro em cada 10–100 milhões de bases - devido à capacidade de "revisão" das DNA polimerases . Os processos que aumentam a taxa de mudanças no DNA são chamados de mutagênicos : produtos químicos mutagênicos promovem erros na replicação do DNA, muitas vezes interferindo na estrutura do par de bases, enquanto a radiação UV induz mutações, causando danos à estrutura do DNA. Danos químicos ao DNA também ocorrem naturalmente e as células usam mecanismos de reparo de DNA para reparar incompatibilidades e quebras. O reparo, entretanto, nem sempre restaura a seqüência original. Uma fonte particularmente importante de danos ao DNA parece ser as espécies reativas de oxigênio produzidas pela respiração aeróbica celular , e isso pode levar a mutações.

Em organismos que usam crossover cromossômico para trocar DNA e recombinar genes, erros de alinhamento durante a meiose também podem causar mutações. Erros no cruzamento são especialmente prováveis ​​quando sequências semelhantes fazem com que os cromossomos parceiros adotem um alinhamento incorreto; isso torna algumas regiões nos genomas mais propensas a sofrer mutações dessa maneira. Esses erros criam grandes mudanças estruturais na sequência de DNA - duplicações , inversões , deleções de regiões inteiras - ou a troca acidental de partes inteiras de sequências entre diferentes cromossomos ( translocação cromossômica ).

Este é um diagrama que mostra mutações em uma sequência de RNA. A Figura (1) é uma sequência normal de RNA, consistindo de 4 códons. A Figura (2) mostra uma mutação sem sentido, de ponto único e não silenciosa. As figuras (3 e 4) mostram mutações frameshift , razão pela qual estão agrupadas. A Figura 3 mostra uma deleção do segundo par de bases no segundo códon. A Figura 4 mostra uma inserção no terceiro par de bases do segundo códon. A Figura (5) mostra uma expansão repetida, onde um códon inteiro é duplicado.

Seleção natural e evolução

As mutações alteram o genótipo de um organismo e, ocasionalmente, isso faz com que diferentes fenótipos apareçam. A maioria das mutações tem pouco efeito sobre o fenótipo, a saúde ou a aptidão reprodutiva de um organismo . As mutações que têm um efeito geralmente são prejudiciais, mas ocasionalmente algumas podem ser benéficas. Estudos na mosca Drosophila melanogaster sugerem que, se uma mutação altera uma proteína produzida por um gene, cerca de 70% dessas mutações serão prejudiciais, com o restante sendo neutro ou fracamente benéfico.

Uma árvore evolutiva de organismos eucarióticos , construída pela comparação de várias sequências de genes ortólogos .

A genética populacional estuda a distribuição das diferenças genéticas dentro das populações e como essas distribuições mudam ao longo do tempo. As alterações na frequência de um alelo numa população são influenciadas principalmente pela selecção natural , em que um determinado alelo fornece um selectiva ou vantagem de reprodução para o organismo, bem como outros factores, tais como mutação , deriva genética , carona genética , selecção artificial e migração .

Ao longo de muitas gerações, os genomas dos organismos podem mudar significativamente, resultando em evolução . No processo denominado adaptação , a seleção de mutações benéficas pode fazer com que uma espécie evolua para formas mais capazes de sobreviver em seu ambiente. Novas espécies são formadas por meio do processo de especiação , geralmente causado por separações geográficas que impedem as populações de trocar genes entre si.

Ao comparar a homologia entre os genomas de diferentes espécies, é possível calcular a distância evolutiva entre eles e quando podem ter divergido . As comparações genéticas são geralmente consideradas um método mais preciso de caracterizar o parentesco entre as espécies do que a comparação de características fenotípicas. As distâncias evolutivas entre as espécies podem ser usadas para formar árvores evolucionárias ; essas árvores representam a descendência e divergência comum das espécies ao longo do tempo, embora não mostrem a transferência de material genético entre espécies não relacionadas (conhecida como transferência horizontal de genes e mais comum em bactérias).

Organismos modelo

A mosca da fruta comum ( Drosophila melanogaster ) é um organismo modelo popular na pesquisa genética.

Embora os geneticistas tenham estudado originalmente a herança em uma ampla gama de organismos, os pesquisadores começaram a se especializar no estudo da genética de um subconjunto específico de organismos. O fato de que pesquisas significativas já existiam para um determinado organismo encorajaria novos pesquisadores a escolhê-lo para estudos mais aprofundados, e assim, eventualmente, alguns organismos modelo tornaram-se a base para a maioria das pesquisas genéticas. Tópicos comuns de pesquisa em genética de organismos modelo incluem o estudo da regulação gênica e o envolvimento dos genes no desenvolvimento e no câncer .

Os organismos foram escolhidos, em parte, por conveniência - tempos curtos de geração e fácil manipulação genética tornaram alguns organismos ferramentas de pesquisa genética populares. Organismos modelo amplamente utilizados incluem a bactéria intestinal Escherichia coli , a planta Arabidopsis thaliana , levedura de padeiro ( Saccharomyces cerevisiae ), o nematóide Caenorhabditis elegans , a mosca da fruta comum ( Drosophila melanogaster ) e o rato doméstico comum ( Mus musculus ).

Medicina

Relação esquemática entre bioquímica , genética e biologia molecular .

A genética médica busca entender como a variação genética se relaciona com a saúde e as doenças humanas. Ao pesquisar um gene desconhecido que pode estar envolvido em uma doença, os pesquisadores costumam usar ligações genéticas e gráficos de linhagem genéticos para encontrar a localização no genoma associada à doença. No nível populacional, os pesquisadores aproveitam a randomização mendeliana para procurar locais no genoma que estão associados a doenças, um método especialmente útil para características multigênicas não claramente definidas por um único gene. Uma vez que um gene candidato é encontrado, pesquisas adicionais são frequentemente feitas nos genes correspondentes (ou homólogos ) de organismos modelo. Além de estudar doenças genéticas, o aumento da disponibilidade de métodos de genotipagem levou ao campo da farmacogenética : o estudo de como o genótipo pode afetar as respostas aos medicamentos.

Os indivíduos diferem em sua tendência hereditária de desenvolver câncer , e o câncer é uma doença genética. O processo de desenvolvimento do câncer no corpo é uma combinação de eventos. Ocasionalmente, ocorrem mutações dentro das células do corpo à medida que se dividem. Embora essas mutações não sejam herdadas por nenhum descendente, elas podem afetar o comportamento das células, às vezes fazendo com que cresçam e se dividam com mais frequência. Existem mecanismos biológicos que tentam interromper esse processo; sinais são dados a células em divisão inadequada que deveriam desencadear a morte celular , mas às vezes ocorrem mutações adicionais que fazem com que as células ignorem essas mensagens. Um processo interno de seleção natural ocorre dentro do corpo e, eventualmente, as mutações se acumulam dentro das células para promover seu próprio crescimento, criando um tumor cancerígeno que cresce e invade vários tecidos do corpo.

Normalmente, uma célula se divide apenas em resposta a sinais chamados fatores de crescimento e para de crescer uma vez em contato com as células vizinhas e em resposta a sinais inibidores de crescimento. Geralmente, ele se divide por um número limitado de vezes e morre, ficando dentro do epitélio, onde é incapaz de migrar para outros órgãos. Para se tornar uma célula cancerosa, uma célula precisa acumular mutações em vários genes (três a sete). Uma célula cancerosa pode se dividir sem fator de crescimento e ignora os sinais inibitórios. Além disso, é imortal e pode crescer indefinidamente, mesmo depois de entrar em contato com células vizinhas. Ele pode escapar do epitélio e, em última análise, do tumor primário . Então, a célula que escapou pode cruzar o endotélio de um vaso sanguíneo e ser transportada pela corrente sanguínea para colonizar um novo órgão, formando metástase mortal . Embora existam algumas predisposições genéticas em uma pequena fração dos cânceres, a fração principal se deve a um conjunto de novas mutações genéticas que originalmente aparecem e se acumulam em uma ou em um pequeno número de células que se dividem para formar o tumor e não são transmitidas para a progênie ( mutações somáticas ). As mutações mais frequentes são a perda de função da proteína p53 , um supressor de tumor , ou na via do p53, e mutações de ganho de função nas proteínas Ras , ou em outros oncogenes .

Métodos de pesquisa

Colônias de E. coli produzidas por clonagem celular . Uma metodologia semelhante é freqüentemente usada na clonagem molecular .

O DNA pode ser manipulado em laboratório. As enzimas de restrição são vulgarmente utilizados enzimas que o ADN cortado em sequências específicas, produzindo fragmentos de ADN previsíveis. Os fragmentos de DNA podem ser visualizados por meio da eletroforese em gel , que separa os fragmentos de acordo com seu comprimento.

O uso de enzimas de ligação permite que fragmentos de DNA sejam conectados. Ao ligar ("ligar") fragmentos de DNA de diferentes fontes, os pesquisadores podem criar DNA recombinante , o DNA frequentemente associado a organismos geneticamente modificados . O DNA recombinante é comumente usado no contexto de plasmídeos : pequenas moléculas circulares de DNA com alguns genes. No processo conhecido como clonagem molecular , os pesquisadores podem amplificar os fragmentos de DNA inserindo plasmídeos em bactérias e, em seguida, cultivando-os em placas de ágar (para isolar clones de células de bactérias - "clonagem" também pode se referir aos vários meios de criar clonagem (" organismos clonais ")).

O DNA também pode ser amplificado por meio de um procedimento denominado reação em cadeia da polimerase (PCR). Ao usar sequências curtas específicas de DNA, a PCR pode isolar e amplificar exponencialmente uma região-alvo do DNA. Como pode amplificar a partir de quantidades extremamente pequenas de DNA, a PCR também é frequentemente usada para detectar a presença de sequências específicas de DNA.

Sequenciamento de DNA e genômica

O sequenciamento de DNA , uma das tecnologias mais fundamentais desenvolvidas para estudar genética, permite aos pesquisadores determinar a sequência de nucleotídeos em fragmentos de DNA. A técnica de sequenciamento de terminação de cadeia , desenvolvida em 1977 por uma equipe liderada por Frederick Sanger , ainda é rotineiramente usada para sequenciar fragmentos de DNA. Usando essa tecnologia, os pesquisadores puderam estudar as sequências moleculares associadas a muitas doenças humanas.

Como o sequenciamento se tornou mais barato, os pesquisadores sequenciaram os genomas de muitos organismos usando um processo chamado montagem do genoma , que utiliza ferramentas computacionais para costurar sequências de muitos fragmentos diferentes. Essas tecnologias foram usadas para sequenciar o genoma humano no Projeto Genoma Humano concluído em 2003. Novas tecnologias de sequenciamento de alto rendimento estão reduzindo drasticamente o custo do sequenciamento de DNA, com muitos pesquisadores esperando reduzir o custo de resequenciamento de um genoma humano para mil dólares.

O sequenciamento de próxima geração (ou sequenciamento de alto rendimento) surgiu devido à demanda cada vez maior por sequenciamento de baixo custo. Essas tecnologias de sequenciamento permitem a produção de potencialmente milhões de sequências simultaneamente. A grande quantidade de dados sequenciais disponíveis criou o subcampo da genômica , pesquisa que usa ferramentas computacionais para buscar e analisar padrões em genomas completos de organismos. A genômica também pode ser considerada um subcampo da bioinformática , que usa abordagens computacionais para analisar grandes conjuntos de dados biológicos . Um problema comum a esses campos de pesquisa é como gerenciar e compartilhar dados que tratam de assuntos humanos e informações de identificação pessoal .

Sociedade e cultura

Em 19 de março de 2015, um grupo de biólogos renomados pediu uma proibição mundial do uso clínico de métodos, particularmente o uso de CRISPR e dedo de zinco , para editar o genoma humano de uma forma que possa ser herdada. Em abril de 2015, pesquisadores chineses relataram resultados de pesquisa básica para editar o DNA de embriões humanos não viáveis usando CRISPR.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos