Cromossomo homólogo - Homologous chromosome
Alguns cromossomos homólogos , ou homólogos , são um conjunto de um cromossomo materno e outro paterno que se emparelham dentro de uma célula durante a fertilização . Os homólogos têm os mesmos genes nos mesmos loci, onde fornecem pontos ao longo de cada cromossomo, o que permite que um par de cromossomos se alinhe corretamente antes de se separar durante a meiose. Esta é a base para a herança mendeliana, que caracteriza os padrões de herança do material genético de um organismo para a célula de desenvolvimento progenitora em determinado momento e área.
Visão geral
Os cromossomos são arranjos lineares de ácido desoxirribonucléico condensado (DNA) e proteínas histonas , que formam um complexo denominado cromatina . Os cromossomos homólogos são compostos de pares de cromossomos de aproximadamente o mesmo comprimento, posição do centrômero e padrão de coloração para genes com os mesmos loci correspondentes . Um cromossomo homólogo é herdado da mãe do organismo; a outra é herdada do pai do organismo. Depois que a mitose ocorre dentro das células-filhas, elas têm o número correto de genes, que são uma mistura dos genes dos dois pais. Em organismos diplóides (2n), o genoma é composto por um conjunto de cada par de cromossomos homólogos, em comparação com organismos tetraploides que podem ter dois conjuntos de cada par de cromossomos homólogos. Os alelos nos cromossomos homólogos podem ser diferentes, resultando em diferentes fenótipos dos mesmos genes. Essa mistura de características maternas e paternas é intensificada pelo cruzamento durante a meiose, em que os comprimentos dos braços cromossômicos e o DNA que eles contêm dentro de um par de cromossomos homólogos são trocados um com o outro.
História
No início dos anos 1900, William Bateson e Reginald Punnett estavam estudando a herança genética e observaram que algumas combinações de alelos apareciam com mais frequência do que outras. Esses dados e informações foram explorados por Thomas Morgan . Usando experimentos de teste cruzado , ele revelou que, para um único pai, os alelos dos genes próximos uns dos outros ao longo do comprimento do cromossomo se movem juntos. Usando essa lógica, ele concluiu que os dois genes que estava estudando estavam localizados em cromossomos homólogos. Mais tarde, durante a década de 1930, Harriet Creighton e Barbara McClintock estavam estudando a meiose em células de milho e examinando loci gênicos em cromossomos de milho. Creighton e McClintock descobriram que as novas combinações de alelos presentes na prole e o evento de cruzamento estavam diretamente relacionados. Isso comprovou a recombinação genética intercromossômica.
Estrutura
Cromossomos homólogos são cromossomos que contêm os mesmos genes na mesma ordem ao longo de seus braços cromossômicos. Existem duas propriedades principais dos cromossomos homólogos: o comprimento dos braços cromossômicos e a localização do centrômero.
O comprimento real do braço, de acordo com a localização dos genes, é extremamente importante para o alinhamento adequado. A colocação do centrômero pode ser caracterizada por quatro arranjos principais, consistindo em ser metacêntrico , submetacêntrico , acrocêntrico ou telocêntrico . Ambos {{esclarecimento necessário | razão = Ambos, mas quatro foram listados, então o que significa ambos? | Data = junho de 2021} dessas propriedades são os principais fatores para a criação de homologia estrutural entre os cromossomos. Portanto, quando dois cromossomos da estrutura exata existem, eles são capazes de emparelhar para formar cromossomos homólogos.
Como os cromossomos homólogos não são idênticos e não se originam do mesmo organismo, eles são diferentes das cromátides irmãs . As cromátides irmãs resultam após a replicação do DNA e, portanto, são duplicatas idênticas, lado a lado, umas das outras.
Em humanos
Os humanos têm um total de 46 cromossomos, mas existem apenas 22 pares de cromossomos autossômicos homólogos . O 23º par adicional são os cromossomos sexuais, X e Y. Os 22 pares de cromossomos homólogos contêm os mesmos genes, mas codificam traços diferentes em suas formas alélicas, já que um foi herdado da mãe e o outro do pai. Portanto, os humanos têm dois conjuntos de cromossomos homólogos em cada célula, o que significa que os humanos são organismos diplóides .
Funções
Os cromossomos homólogos são importantes nos processos de meiose e mitose. Eles permitem a recombinação e a segregação aleatória do material genético da mãe e do pai em novas células.
Na meiose
A meiose é uma rodada de duas divisões celulares que resulta em quatro células-filhas haplóides, cada uma contendo metade do número de cromossomos da célula-mãe. Ele reduz o número de cromossomos em uma célula germinativa pela metade, separando primeiro os cromossomos homólogos na meiose I e, em seguida, as cromátides irmãs na meiose II . O processo da meiose I é geralmente mais longo do que a meiose II porque leva mais tempo para a cromatina se replicar e para os cromossomos homólogos serem devidamente orientados e segregados pelos processos de emparelhamento e sinapses na meiose I. Durante a meiose, recombinação genética (por segregação aleatória) e o crossing over produz células-filhas, cada uma contendo diferentes combinações de genes codificados maternalmente e paternamente. Esta recombinação de genes permite a introdução de novos pares de alelos e variação genética. A variação genética entre os organismos ajuda a tornar uma população mais estável, fornecendo uma gama mais ampla de características genéticas sobre as quais a seleção natural atua.
Prófase I
Na prófase I da meiose I, cada cromossomo está alinhado com seu parceiro homólogo e pares completamente. Na prófase I, o DNA já sofreu replicação, então cada cromossomo consiste em duas cromátides idênticas conectadas por um centrômero comum. Durante o estágio de zigoteno da prófase I, os cromossomos homólogos se emparelham. Este emparelhamento ocorre por um processo de sinapses onde o complexo sinaptonemal - uma estrutura protéica - é montado e se junta aos cromossomos homólogos ao longo de seus comprimentos. A reticulação de coesina ocorre entre os cromossomos homólogos e os ajuda a resistir à separação até a anáfase . O cruzamento genético , um tipo de recombinação, ocorre durante o estágio de paquiteno da prófase I. Além disso, outro tipo de recombinação, conhecido como recozimento de fita dependente da síntese (SDSA), ocorre freqüentemente. A recombinação SDSA envolve a troca de informações entre as cromátides homólogas emparelhadas , mas não a troca física. A recombinação SDSA não causa crossing-over.
No processo de crossing-over, os genes são trocados pela quebra e união de porções homólogas do comprimento dos cromossomos. Estruturas chamadas chiasmata são o local da troca. Os quiasmas ligam fisicamente os cromossomos homólogos assim que ocorre o cruzamento e durante todo o processo de segregação cromossômica durante a meiose. Ambos os tipos de recombinação não-crossover e crossover funcionam como processos para reparar danos ao DNA , particularmente quebras de fita dupla. No estágio de diplóteno da prófase I, o complexo sinaptonemal se desmonta antes, o que permitirá que os cromossomos homólogos se separem, enquanto as cromátides irmãs permanecem associadas por seus centrômeros.
Metafase I
Na metáfase I da meiose I, os pares de cromossomos homólogos, também conhecidos como bivalentes ou tétrades , se alinham em ordem aleatória ao longo da placa metafásica . A orientação aleatória é outra forma de as células introduzirem variação genética. Os fusos meióticos que emanam dos pólos opostos do fuso fixam-se em cada um dos homólogos (cada par de cromátides irmãs) no cinetocoro .
Anáfase I
Na anáfase I da meiose I, os cromossomos homólogos são separados uns dos outros. Os homólogos são clivados pela enzima separase para liberar a coesina que mantinha os braços do cromossomo homólogo juntos. Isso permite que o quiasma se liberte e os homólogos se movam para pólos opostos da célula. Os cromossomos homólogos são agora segregados aleatoriamente em duas células-filhas que passarão por meiose II para produzir quatro células germinativas haplóides .
Meiose II
Depois que as tétrades de cromossomos homólogos são separadas na meiose I, as cromátides irmãs de cada par são separadas. As duas células-filhas diplóides (o número de cromossomos foi reduzido à metade: dois conjuntos anteriores de cromossomos estavam presentes, mas agora cada conjunto existe em duas células-filhas diferentes que surgiram da única célula-mãe diplóide por meiose I) resultantes da meiose Eu sofro outra divisão celular na meiose II, mas sem outra rodada de replicação cromossômica. As cromátides irmãs nas duas células-filhas são separadas durante a anáfase II pelas fibras do fuso nuclear, resultando em quatro células-filhas haplóides.
Em mitose
Os cromossomos homólogos não funcionam da mesma forma na mitose e na meiose. Antes de cada divisão mitótica que uma célula sofre, os cromossomos da célula-mãe se replicam. Os cromossomos homólogos dentro da célula normalmente não se emparelham e sofrem recombinação genética entre si. Em vez disso, os replicantes, ou cromátides irmãs, se alinharão ao longo da placa metafásica e então se separarão da mesma forma que a meiose II - sendo separados em seus centrômeros por fusos mitóticos nucleares. Se qualquer cruzamento ocorrer entre as cromátides irmãs durante a mitose, ele não produzirá nenhum novo genótipo recombinante.
Em células somáticas
O emparelhamento homólogo na maioria dos contextos se refere às células germinativas, no entanto, também ocorre em células somáticas. Por exemplo, em humanos, as células somáticas têm emparelhamento homólogo regulado de forma muito rígida (separados em territórios cromossômicos e emparelhamento em loci específicos sob controle de sinalização de desenvolvimento). Outras espécies, no entanto (notavelmente Drosophila ) exibem emparelhamento homólogo com muito mais freqüência. Em Drosophila, o emparelhamento homólogo suporta um fenômeno de regulação gênica denominado transvecção, no qual um alelo em um cromossomo afeta a expressão do alelo homólogo no cromossomo homólogo. Uma função notável disso é a regulação sexualmente dimórfica dos genes ligados ao X.
Problemas
Existem graves repercussões quando os cromossomos não segregam adequadamente. A segregação defeituosa pode levar a problemas de fertilidade , morte de embriões , defeitos congênitos e câncer . Embora os mecanismos para emparelhar e aderir cromossomos homólogos variem entre os organismos, o funcionamento adequado desses mecanismos é imperativo para que o material genético final seja classificado corretamente.
Não Disjunção
A separação adequada dos cromossomos homólogos na meiose I é crucial para a separação das cromátides irmãs na meiose II. Uma falha na separação adequada é conhecida como não disjunção. Existem dois tipos principais de não disjunção que ocorrem: trissomia e monossomia . A trissomia é causada pela presença de um cromossomo adicional no zigoto em comparação ao número normal, e a monossomia é caracterizada pela presença de um cromossomo a menos no zigoto em comparação ao número normal. Se essa divisão desigual ocorrer na meiose I, nenhuma das células-filhas terá distribuição cromossômica adequada e efeitos atípicos podem ocorrer, incluindo a síndrome de Down. A divisão desigual também pode ocorrer durante a segunda divisão meiótica. A não disjunção que ocorre neste estágio pode resultar em células-filhas normais e células deformadas.
Outros usos
Embora a principal função dos cromossomos homólogos seja seu uso na divisão nuclear, eles também são usados no reparo de quebras de fita dupla de DNA . Essas quebras de fita dupla podem ocorrer na replicação do DNA e, na maioria das vezes, são o resultado da interação do DNA com moléculas prejudiciais que ocorrem naturalmente, como as espécies reativas de oxigênio . Os cromossomos homólogos podem reparar esse dano alinhando-se com cromossomos da mesma sequência genética. Uma vez que os pares de bases foram combinados e orientados corretamente entre as duas fitas, os cromossomos homólogos executam um processo que é muito semelhante à recombinação, ou cruzamento, como visto na meiose. Parte da sequência de DNA intacta se sobrepõe à sequência do cromossomo danificado . Proteínas de replicação e complexos são então recrutados para o local do dano, permitindo que o reparo e a replicação adequada ocorram. Por meio desse funcionamento, as quebras da fita dupla podem ser reparadas e o DNA pode funcionar normalmente.
Pesquisa Relevante
A pesquisa atual e futura sobre o tema do cromossomo homólogo está fortemente focada nos papéis de várias proteínas durante a recombinação ou durante o reparo do DNA. Em um artigo publicado recentemente por Pezza et al. a proteína conhecida como HOP2 é responsável pela sinapsis cromossômica homóloga e também pela reparação de quebra de fita dupla por recombinação homóloga. A deleção de HOP2 em camundongos tem grande repercussão na meiose. Outros estudos atuais também se concentram em proteínas específicas envolvidas na recombinação homóloga.
Há pesquisas em andamento sobre a capacidade dos cromossomos homólogos de reparar quebras de DNA de fita dupla. Os pesquisadores estão investigando a possibilidade de explorar essa capacidade para a medicina regenerativa. Este medicamento pode ser muito prevalente em relação ao câncer, pois acredita-se que os danos ao DNA contribuam para a carcinogênese. Manipular a função de reparo de cromossomos homólogos pode permitir melhorar o sistema de resposta a danos de uma célula. Embora a pesquisa ainda não tenha confirmado a eficácia desse tratamento, ele pode se tornar uma terapia útil para o câncer.
Veja também
- Recombinação homóloga
- Herança mendeliana
- Biologia do desenvolvimento
- Sinapsis
- Não disjunção
- Hereditariedade
Referências
Leitura adicional
- Gilbert SF (2003). Biólogo do desenvolvimento . Sunderland, Mass .: Sinauer Associates. ISBN 0-87893-258-5.
- OpenStaxCollege (25 de abril de 2013). "Meiose" . Rice University.