AULA 10 - Herança extranuclear

Prévia do material em texto

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO 
UNEC / EAD DISCIPLINA: GENÉTICA 
 
NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 146 
Professor: Juscélio Clemente de Abreu - biotec.abreu@yahoo.com.br 
HERANÇA EXTRANUCLEAR 
 
1. Introdução 
 
Como você já sabe, a maior proporção do DNA dos organismos eucarióticos é 
encontrada nos cromossomos nucleares. Porém, na presente apostila veremos que 
existem duas organelas celulares – as mitocôndrias e os cloroplastos – que apresen-
tam tipos particulares de cromossomos. 
Estes cromossomos contêm genes que codificam funções específicas dessas 
organelas. O cromossomo mitocondrial é chamado de mtDNA e o cromossomo do 
cloroplasto de cpDNA, sendo o número de genes nesses cromossomos pequeno em 
elação ao número de genes nucleares. Por exemplo, o genoma nuclear humano con-
siste em aproximadamente 3×109 pares de bases (pb) contendo cerca de 30.000 ge-
nes, enquanto o DNA mitocondrial tem cerca de 16.000 pb com 37 genes conhecidos. 
Os genes de mitocôndrias e cloroplastos são, em geral, específicos para cada 
uma dessas organelas e não possuem cópias nos cromossomos nucleares. No en-
tanto, já foram identificadas algumas cópias inativas de genes extranucleares nos 
cromossomos nucleares. 
Mas qual será a origem do material genético presente nas mitocôndrias e nos 
cloroplastos? A hipótese mais aceita é de que essas organelas celulares surgiram a 
partir de organismos endossimbiontes. As células pré-eucarióticas ancestrais teriam 
sido “invadidas” em diferentes épocas por organismos procariontes fotossintetizantes 
e não-fotossintetizantes que estabeleceram uma simbiose mutuamente benéfica e, no 
curso da evolução, originaram, respectivamente, os cloroplastos e as mitocôndrias 
presentes nas células dos eucariontes modernos. 
Os cromossomos de cloroplastos e mitocôndrias possuem algumas caracterís-
ticas que os diferem dos cromossomos nucleares. Em geral, os cromossomos dessas 
organelas são circulares, embora existam evidências de que podem adquirir formas 
lineares. Outras diferenças incluem possuir um grau de condensação menor quando 
comparado aos cromossomos nucleares e estarem presentes em centenas ou milha-
res de cópias por células. 
 
 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO 
UNEC / EAD DISCIPLINA: GENÉTICA 
 
NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 147 
Professor: Juscélio Clemente de Abreu - biotec.abreu@yahoo.com.br 
Assim como os genes nucleares, os genes de organelas sofrem mutações pon-
tuais, como deleções e substituições, e rearranjos cromossômicos. No mtDNA de ma-
míferos, por exemplo, a taxa de substituição de pares de bases é aproximadamente 
10 vezes mais alta que a dos genes nucleares. 
Muitas dessas mutações são expressas como fenótipos anormais e, como as 
mitocôndrias e cloroplastos estão relacionados à produção energia, o fenótipo mu-
tante normalmente tem crescimento lento ou de aspecto anormal. 
A descoberta do DNA de cloroplastos e mitocôndrias foi antecipada pelos es-
tudos que apontaram, no início do século XX, a existência de fatores hereditários fora 
do núcleo. Os primeiros estudos eram realizados com plantas, que possuem tanto 
cloroplastos como mitocôndrias. Desta forma, era difícil identificar qual das duas or-
ganelas era responsável pela herança não-nuclear. Estudos posteriores utilizaram le-
veduras, para as quais o envolvimento de cloroplastos podia ser excluído. Através 
desses estudos os cientistas puderam concluir que a hereditariedade das organelas 
não segue as regras mendelianas, caracterizando-se por contribuições desiguais dos 
dois genitores. Acompanharemos, a seguir, alguns desses estudos clássicos. 
 
2. Variegação de folhas em angiospermas 
 
Eventualmente, as folhas de plantas apresentam um padrão marcante de vari-
egação de cor: alguns setores da folha têm coloração verde e outros, branca, podendo 
existir tonalidades intermediárias de verde claro ou amarelo-esverdeado (FIGURA 1). 
A variegação das folhas despertou o interesse de muitos pesquisadores, prin-
cipalmente por suas qualidades ornamentais. Esse fenótipo pode ser explicado pela 
distribuição de diferentes tipos de cloroplastos durante a multiplicação celular. 
Alguns dos cloroplastos possuem o alelo capaz de sintetizar o pigmento verde e outros 
não. Quando uma célula se divide, os dois tipos de cloroplastos são distribuídos de 
modo aleatório para as células-filhas. 
Após algumas divisões, uma distribuição irregular pode produzir uma célula que 
não tenha cloroplastos produtores de pigmento. Essa célula irá então proliferar em um 
setor branco da folha. Esses setores são irregulares em tamanho, forma e posição. 
 
 
 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO 
UNEC / EAD DISCIPLINA: GENÉTICA 
 
NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 148 
Professor: Juscélio Clemente de Abreu - biotec.abreu@yahoo.com.br 
 
 
Figura 1 - Exemplos de variegação de cor em folhas de plantas. 
Os primeiros estudos sobre a herança da variegação em folhas foram realiza-
dos pelos botânicos alemães Carl Correns e Erwin Baur. 
Correns trabalhou com linhagens variegadas de maravilha (Mirabilis jalapa), 
uma planta ornamental. Em seus experimentos, Correns cruzou fl ores normais com 
flores originárias de setores brancos das plantas variegadas. Ele observou que a prole 
de tais cruzamentos era sempre fenotipicamente semelhante ao tecido que produziu 
os gametas femininos (FIGURA 2). Assim, um cruzamento feito pela fertilização de 
ovócitos de uma planta verde com pólen de um setor branco de uma planta variegada 
produziu apenas prole verde. Entretanto, um cruzamento feito com ovócitos de um 
setor branco em uma planta variegada e pólen de uma planta verde produzia apenas 
prole branca pura. Essa herança materna só podia ser explicada caso a cor da planta 
fosse controlada por fatores que eram transmitidos pelos ovócitos mas não pelo pólen. 
 
 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO 
UNEC / EAD DISCIPLINA: GENÉTICA 
 
NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 149 
Professor: Juscélio Clemente de Abreu - biotec.abreu@yahoo.com.br 
 
Figura 2 - Experimentos de Correns sobre a herança de variegação de folhas em Mi-
rabilis. a) cruzamento entre planta verde (fonte dos gametas femininos) e planta vari-
egada (fonte dos gametas masculinos; pólen retirado da região branca). b) cruza-
mento recíproco entre planta variegada (fonte dos gametas femininos; óvulos retirados 
da região branca) e planta verde (fonte dos gametas masculinos). Em ambos os ca-
sos, a prole apresentou o fenótipo da planta doadora dos gametas femininos, um caso 
de herança materna estrita. 
 
Na Mirabilis, os cloroplastos são transmitidos para a prole pelas células repro-
dutivas femininas, mas são inteiramente excluídos das células reprodutivas masculi-
nas. Portanto, os cloroplastos eram os candidatos óbvios para conter esses fatores. 
Quando uma planta herda uma mistura de cloroplastos pigmentados e não pigmenta-
dos do seu progenitor, seus tecidos podem variegar porque os dois tipos de cloroplas-
tos se distribuem aleatoriamente durante seu desenvolvimento. 
Baur estudou a variegação das folhas em outra espécie ornamental, Pelargo-
nium zonale. Nessa planta, os cruzamentos entre as linhagens verde e variegada pro-
duzem uma mistura de prole, algumas verdes, algumas variegadas e algumas brancas 
puras. Entretanto, esses fenótipos não aparecem nas proporções mendelianas (FI-
GURA 3). Esta herança biparental não-mendeliana indica que a cor das folhas de 
Pelargonium é determinada por uma mistura de fatores maternos e paternos situadosa b 
 
 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO 
UNEC / EAD DISCIPLINA: GENÉTICA 
 
NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 150 
Professor: Juscélio Clemente de Abreu - biotec.abreu@yahoo.com.br 
fora do núcleo, provavelmente nos cloroplastos. Dessa forma, fica evidente que nessa 
espécie os cloroplastos são transmitidos tanto pelo pólen como pelo ovócito. Contudo, 
a base molecular da variegação das folhas ainda é desconhecida. 
 
Figura 3 - Experimentos de Baur sobre a herança de variegação em folhas de 
Pelargonium. a) cruzamento entre planta verde (fonte dos gametas femininos) e planta 
variegada (fonte dos gametas masculinos; pólen retirado da região branca). b) cruza-
mento recíproco entre planta variegada (fonte dos gametas femininos; óvulos retirados 
da região branca) e planta verde (fonte dos gametas masculinos). Em ambos os ca-
sos, três tipos de plantas foram obtidas, em proporções não-mendelinas, um caso de 
herança biparental não-mendeliana. 
 
2. Resistência a antibióticos em Chlamydomonas 
 
As algas verdes fotossintetizantes são uma parte importante da biosfera. Uma 
espécie terrestre, a Chlamydomonas reinhardtii, foi amplamente usada em pesquisas 
genéticas. 
A Chlamydomonas reinhardtii é um organismo haploide unicelular que contém 
um único cloroplasto grande e várias mitocôndrias. Nessa espécie existem dois tipos 
reprodutivos diferentes, representados por (+) e (–). As células de tipos reprodutivos 
diferentes se fundem e produzem um zigoto diploide. Esse zigoto, então, sofre meiose 
e origina quatro células haploides, sendo duas (+) e duas (–). 
 
 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO 
UNEC / EAD DISCIPLINA: GENÉTICA 
 
NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 151 
Professor: Juscélio Clemente de Abreu - biotec.abreu@yahoo.com.br 
Em 1954, Ruth Sager, uma geneticista americana, descobriu que a resistência 
a antibióticos na Chlamydomonas é herdada de modo não mendeliano. Sager cruzou 
indivíduos (+) mutantes que apresentavam resistência ao antibiótico estreptomicina 
(stm-r) com indivíduos (–) sensíveis a esse antibiótico (stm-s) (FIGURA 4). 
Toda a prole apresentava resistência ao antibiótico. Em seguida, Sager cruzou 
indivíduos (–) resistentes à estreptomicina com indivíduos (+) sensíveis, obtendo uma 
prole inteiramente sensível. Os estudos mostraram que a resistência ou sensibilidade 
à estreptomicina em Chlamydomonas é controlada por um fator com padrão de trans-
missão não-mendeliano. 
 
Figura 4 - Experimentos de Sager sobre a herança da resistência à estreptomicina 
em Chlamydomonas reinhardtii. a) cruzamento entre linhagem (+) resistente e linha-
gem (–) sensível. b) cruzamento recíproco entre linhagem (–) resistente e linhagem 
(+) sensível. Em ambos os casos, a prole apresentou o fenótipo da linhagem parental 
(+), um caso de herança uniparental. 
 
A resistência ou a sensibilidade, nesse caso, é sempre herdada pelo citoplasma 
da célula (+), num caso de herança uniparental. Sager logo descobriu outras caracte-
rísticas que seguiam esse padrão de herança. Esses fenômenos foram finalmente 
esclarecidos quando foi descoberto DNA no cloroplasto de Chlamydomonas. Tanto as 
células (+) quanto as (–) possuem esse DNA, porém, quando ocorre o cruzamento, o 
cloroplasto da célula (–) é degradado e apenas o cloroplasto da célula (+) é transmitido 
às células-filhas. 
 
 
 
 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO 
UNEC / EAD DISCIPLINA: GENÉTICA 
 
NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 152 
Professor: Juscélio Clemente de Abreu - biotec.abreu@yahoo.com.br 
 
 
2. Doenças mitocondriais humanas 
O mtDNA humano consiste em um cromossomo em forma de anel, com cerca 
de 17.000 pares de bases que codifi cam 13 polipeptídeos que participam da via mi-
tocondrial produtora de energia (fosforilação oxidativa). A maioria das proteínas ne-
cessárias para o desenvolvimento das próprias mitocôndrias é produzida por genes 
nucleares. Assim, algumas das doenças devidas ao mau funcionamento das mitocôn-
drias são causadas por defeitos nesses genes, seguindo o padrão mendeliano clás-
sico de herança. Por outro lado, as doenças provenientes de defeitos em genes do 
genoma mitocondrial são transmitidas como as próprias mitocôndrias, isto é, da mãe 
para toda a prole, independente do sexo. 
Entretanto, considerando o grande número de mitocôndrias que um ovócito 
contém, e o número de genomas por mitocôndria (de 5 a 10 moléculas de mtDNA), 
não é surpreendente que uma criança possa herdar de sua mãe mais que um tipo de 
genoma mitocondrial. 
As células que contêm dois ou mais tipos diferentes de genomas mitocondriais 
são chamadas heteroplásmicas. Durante o seu desenvolvimento, um dos genomas 
pode se tornar, aleatoriamente, mais abundante até constituir linhagens de células 
homoplásmicas, onde só será encontrado um único tipo de genoma mitocondrial. Isto 
pode explicar em parte a enorme variação fenotípica entre indivíduos com a mesma 
doença mitocondrial. A seguir, discutiremos algumas das doenças mitocondriais que 
afetam a espécie humana. 
 
2.1 Atrofia óptica de Leber 
 
Esta doença caracteriza-se pela morte do nervo óptico nos adultos, ocasio-
nando uma súbita perda de visão. Os homens são mais frequente e gravemente afe-
tados que as mulheres, sendo grande a variação na gravidade da doença em ambos 
os sexos. Como seria de se esperar para uma mutação mitocondrial, a atrofia óptica 
 
 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO 
UNEC / EAD DISCIPLINA: GENÉTICA 
 
NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 153 
Professor: Juscélio Clemente de Abreu - biotec.abreu@yahoo.com.br 
de Leber é herdada estritamente pela linhagem materna; não sendo conhecida trans-
missão pelos homens. As análises moleculares demonstraram que essa doença pos-
sui heterogeneidade genética, ou seja, pode ser causada por mutações em um dentre 
os vários genes mitocondriais que codificam as proteínas envolvidas no processo de 
fosforilação oxidativa, reduzindo a eficiência desse processo. Essa redução de efici-
ência pode ser sufi cientemente grande para destruir o funcionamento do nervo óptico 
e causar a cegueira total. 
 
2.2 Síndrome de Pearson 
 
A síndrome de Pearson é caracterizada pela perda de células da medula óssea 
durante a infância, sendo geralmente fatal. Pacientes afetados por essa síndrome 
possuem uma deleção relativamente grande no mtDNA, sendo essa a causa do de-
sencadeamento da doença. As pessoas doentes quase nunca têm os genitores afe-
tados, o que sugere que a deleção responsável provavelmente ocorre espontanea-
mente durante o desenvolvimento da criança ou durante a ovocitogênese da mãe. As 
pessoas com síndrome de Pearson têm uma mistura de mtDNA deletado e normal – 
um exemplo de heteroplasmia mitocondrial. 
2.2 DNA mitocondrial e o estudo da evolução humana 
O estudo da evolução humana sempre foi um assunto que fascinou os cientis-
tas e, até o desenvolvimento da Biologia Molecular, dependia da análise de fósseis 
raros – fragmentos de ossos, dentes e utensílios. No entanto, hoje em dia, a evolução 
humana, e de outras espécies, pode ser estudada comparando-se as sequências de 
DNA. Cada sequência de DNA descende de uma sequência que estava presente em 
um organismo ancestral. Assim, as sequências de DNA que encontramos hoje refle-
tem as sequências de DNA dos organismos fósseis transmitidas por muitas gerações. 
Nesse processo, as sequencias de DNA sofreram uma série de mutações que são 
encontradas nos organismos atuais. 
Alguns dos mais esclarecedores estudos da evoluçãohumana envolvem a aná-
lise de DNA mitocondrial. Existem três motivos pelos quais o mtDNA é considerado 
tão útil: (1) ser transmitido exclusivamente pela mulher; (2) não sofrer recombinação; 
 
 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO 
UNEC / EAD DISCIPLINA: GENÉTICA 
 
NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA - NEAD Página | 154 
Professor: Juscélio Clemente de Abreu - biotec.abreu@yahoo.com.br 
(3) evoluir mais rápido que o DNA nuclear. A estrita transmissão materna do mtDNA 
e a não ocorrência de recombinação permitem que os cientistas rastreiem sequencias 
modernas de DNA até uma ancestral feminina comum. Já a sua rapidez da evolução 
permite que sejam detectadas mudanças genéticas significativas em um período re-
lativamente curto de tempo, se comparado ao DNA nuclear. 
Os primeiros estudos do mtDNA humano, no início da década de 1980, de-
monstraram a existência de relativamente pouca variação no mtDNA de populações 
humanas diferentes, sendo as maiores variações encontradas em populações africa-
nas. Tendo em vista a taxa estimada para evolução do mtDNA, esses estudos indica-
vam que os seres humanos modernos se originaram nos últimos 200.000 anos na 
África. Embora essas conclusões fossem inicialmente controversas, diversos traba-
lhos posteriores as reforçaram. 
Você terá a oportunidade de aprofundar seus conhecimentos sobre o uso da 
análise do mtDNA em estudos evolutivos na disciplina Evolução.