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Genética Humana Responsável pelo Conteúdo: Prof. Leonardo Martins Revisão Textual: Prof.ª Dr.ª Selma Aparecida Cesarin Genética Humana Diagnóstica I Genética Humana Diagnóstica I • Informar acerca da apresentação e da constituição cromossômica dos indivíduos e sobre Téc- nicas para organização sistêmica do conjunto de cromossomos humanos e alterações gênicas. OBJETIVO DE APRENDIZADO • Introdução; • Cromossomos e Cromatina; • Cariótipo Cromossômico Humano; UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I Introdução No início da década de 1880, o biólogo alemão Walter Flemming revelou que, durante a divisão celular, o material nuclear se organiza em fios visíveis como estruturas (mais tarde chamadas de cromossomos) que apresentam manchas profundas de corantes básicos. O termo cromossomo foi cunhado por W. Waldeyer, em 1888, sendo que “cromo” significa colorido e “soma” é corpo, portanto, o termo significa “corpo colorido”. Em 1902, W. S. Sutton e T. Boveri sugeriram que os cromossomos são as estruturas físicas que atuavam como mensageiros da hereditariedade. Os cromossomos variam em número e estrutura entre os organismos, sendo o nú- mero de cromossomos característico de cada espécie e, em 1887, Benden e Bovery relataram que o número de cromossomos em cada espécie é constante. Além do número de cromossomos característicos, os organismos também podem ser descritos pela quantidade de DNA em uma célula haploide. A quantidade de DNA por célula haploide, geralmente, é expressa em picogramas e chamada de valor C (valor constante para todas as células de uma determinada espécie). Para células diploides, é 2C. Estendendo o valor C, alcançamos o paradoxo do valor C, que diz respeito justamente à “estranheza” de relação entre quantidade de DNA e complexidade de um organismo. Você sabe quantos cromossomos tem o rato? E o elefante? Tabela 1 – Quantidade de cromossomos Organismo Nº de cromossomos Arabidopsis thaliana (diploide) 10 Milho (diploide) 20 Trigo (hexaploide) 42 Mosca da fruta comum (diploide) 8 Minhoca (diploide) 36 Rato (diploide) 40 Humano (diploide) 46 Elefante (diploides) 56 Burro (diploide) 62 Cão (diploide) 78 Peixe dourado (diploide) 100-104 Tabaco (tetraploide) 48 Aveia (hexaploide) 42 O organismo com menor número de cromossomo é o nematódeo Ascaris megalocephalus univalens, que tem apenas dois cromossomos nas células somáticas (2n = 2). Certo tempo atrás, acreditava-se que a quantidade de DNA que compunha um genoma de um dado organismo estava diretamente relacionada à complexidade dele, isto é, acreditava-se que quanto mais fosse complexo aquele organismo, mais DNA ele deveria ter para manter essa complexidade. Com o tempo, os estudos genômicos provaram que essa não pode ser 8 9 uma relação direta. Observe a quantidade e a distribuição de DNA nos eucariotos. Há uma variação de muitas ordens de magnitude, que pode ser de 0,0023pg no Encephalitozoon in- testinalis (fungo parasita também conhecido como Septata intestinalis e que causa diarreia crônica em pacientes imunocomprometidos) e de até 1400pg na ameba Chaos chaos, isto é muito mais que 600 mil vezes maior. Agora, compare o caso do corpo humano. Embora seja altamente complexo, uma única célula humana possui cerca de 3,5 picogramas de DNA (1 picograma = 978 Megabases), isto é, 1.750 vezes mais DNA que o fungo parasita e cerca de 400 vezes menos em relação à ameba citada. Você pode consultar o tamanho do genoma dos diferentes organismos na plataforma. Disponível em: https://bit.ly/35SCkGe Teste seu Conhecimento • O que é o valor C? • O que é o paradoxo do valor C? Em seu estado normal, uma célula somática é considerada diploide (2N) quando pos- sui duas cópias de cada cromossomo, o dobro dos cromossomos encontrado no estado haploide da célula (N). O sufixo “ploid” refere-se a ”conjuntos” de cromossomos. O conjunto haploide do cromossomo também é conhecido como genoma, pois segue a informação única e não duplicada de cada indivíduo ou espécie. Estruturalmente, os eucariotos possuem grandes cromossomos lineares, ao contrário dos procariontes, que têm cromossomos circulares. O DNA também é encontrado fora do genoma nuclear, nas mitocôndrias e nos cloro- plastos, este último, apenas em plantas. Cada cromossomo humano contém entre 45 e 280Mb de DNA, sendo que o genoma humano possui 3 x 109 pares de bases de DNA. O menor cromossomo humano é várias vezes maior que o genoma completo de uma levedura. O genoma humano haploide contém entre 25.000 e 30.000 genes codificadores de proteínas, muito menos do que o esperado antes do sequenciamento. De fato, apenas cerca de 1,5% do genoma codifica proteínas, enquanto o restante con- siste em genes não codificadores, sequências reguladoras, íntrons e DNA não codificante. O comprimento estendido do DNA que compõe o genoma humano é cerca de 2m. Imagine que dentro de cada célula de seu corpo há 2m de DNA! Se unirmos todos os cromossomos de todas as células de seu corpo, quantos km você imagina que terá? Teste seu Conhecimento • Os cromossomos humanos têm o mesmo tamanho? • O genoma humano é, em sua maior parte, constituído de regiões codificadoras de genes? • Qual a importância das regiões não codificadoras de genes para o genoma humano? 9 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I Cromossomos e Cromatina Os cromossomos são moléculas de DNA firmemente enroladas em torno de pro- teínas básicas chamadas histonas, que ajudam no acondicionamento do DNA e estão envolvidas no controle de suas funções. Para que todo o comprimento do DNA seja acomodado no núcleo de eucariotos, ele sofre condensação. O grau em que o DNA é condensado é expresso como “taxa de empacotamento”, que é o comprimento do DNA estendido, dividido pelo comprimento no qual está em seu estado enrolado. O cromossomo humano mais curto contém 4,6x107pb de DNA (cromossomo 21), o que equivale a 14.000µm de DNA estendido. Em seu estado mais condensado durante a mitose, esse cromossomo tem cerca de 2µm de comprimento. Isso fornece uma razão de empacotamento de 7000 (14.000/2). O DNA é empacotado gradualmente, de modo a formar uma estrutura chamada de cromatina e segue um padrão de organização, hierarquia ou ordem. O nível de empacotamento do DNA para formação dos cromossomos é esquemati- camente representado a seguir: Figura 1 – Hierarquia da organização cromossomal a partir do empacotamento do DNA. Repare que as medidas são apresentadas em cada estágio em nanômetros (nm) 10 11 Assista à animação “Núcleo – Como o DNA é compactado? (Legendado)”, que mostra o empacotamento do DNA. Disponível em: https://youtu.be/1iFsb2f7bLs Veja neste outro esquema o mesmo processo de empacotamento, em uma única figura: Figura 2 – Empacotamento do DNA – Em vários passos, desde a fi bra cromossômica estendida até o cromossomo altamente condensado na fase metafásica Fonte: Adaptada de BRUCE, 2017 Teste seu Conhecimento • Como ocorre o empacotamento do DNA? • Por que é importante a etapa de empacotamento do DNA? Cromatina A cromatina é composta por DNA, RNA e proteínas. As proteínas da cromatina podem ser de dois tipos: histonas e não histonas. 11 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I Já o DNA é o componente químico mais importante da cromatina, pois desempenha papel central no controle da hereditariedade. Roger Kornberg, em 1974, descreveu a unidade estrutural básica da cromatina, cha- mada de nucleossomo. Proteínas histonas As histonas são proteínas básicas, pois são enriquecidas com aminoácidos básicos arginina e lisina. No pH fisiológico, eles são catiônicos e podem interagir com ácidos nucleicos aniônicos. Eles formam uma estrutura altamente condensada. As histonas são categorizadas em cinco tipos, chamados H1, H2A, H2B, H3 e H4 – que são muito semelhantes entre diferentes espécies de eucariotos e foram altamente conservados durante a evolução. H1 é o menos conservado entre todos e também está fracamente ligado ao DNA. Proteínasnão histonas Além das histonas, a cromatina compreende muitos tipos diferentes de proteínas não histonas, envolvidas em uma série de atividades, incluindo replicação do DNA e expressão gênica. Elas exibem mais diversidade ou não são conservadas entre as espécies e também podem diferir entre diferentes tecidos do mesmo organismo. A extensão da condensação da cromatina varia durante o ciclo de vida da célula e desempenha um papel importante na regulação da expressão gênica. Você deve ter aprendido, em Biologia Molecular, que o estado de condensação da cromatina está relacionado à ativação ou à inativação da expressão de certos genes. Durante a interfase, o DNA nos cromossomos não está totalmente compactado, pois existem regiões que estão transcricionalmente ativas em uma célula que está com seu metabolismo ativo. Eucromatina As regiões levemente coradas no cromossomo quando coradas com corantes básicos [como, por exemplo, a Hematoxilina usada em conjunto com a Eosina na coloração denominada Hematoxilina-eosina (HE)] são chamadas de eucromatina e correspondem ao DNA geneticamente ativo. Na interfase do ciclo celular, a cromatina descondensada é conhecida como eucroma- tina, permitindo a transcrição de genes e a replicação de DNA. O nível de compactação dos cromossomos na interfase não é uniforme e varia de acordo com os genes que devem ser expressos em determinado tipo celular. Heterocromatina A palavra heterocromatina foi cunhada por Emil Heitz com base em observações citológicas. São áreas altamente condensadas e ordenadas em matrizes nucleossômicas. 12 13 Cerca de 10% da cromatina em interfase é chamada heterocromatina e está em um estado altamente condensado, que se assemelha à cromatina das células em mitose. Contém alta densidade de DNA repetitivo e é encontrada nos centrômeros e telômeros. A heterocromatina pode ser de dois tipos: • Heterocromatina constitutiva: Regiões que permanecem condensadas ao longo do ciclo celular. É encontrada na região que flanqueia o centrômero e os telômeros e no braço distal do cromossomo Y em mamíferos. A heterocromatina constitutiva possui poucos genes e leva à inativação transcricional de genes próximos. Esse fenômeno de silenciamento de genes é conhecido como “efeito de posição”. A he- terocromatina constitutiva também inibe a recombinação genética entre sequências repetitivas homólogas que evitam a duplicação e a exclusão do DNA; • Heterocromatina facultativa: Cromatina especificamente inativada durante certas fases da vida de um organismo ou em certos tipos de células diferenciadas. Por exemplo, os genes ativos em uma célula hepática estarão localizados na eucro- matina da célula hepática, mas pode estar na região de heterocromatina de uma célula epitelial, caso os genes ativos nessas células estejam distantes. Como outro exemplo, podemos citar a compensação de dose pela inativação do cromossomo X em mamíferos. A heterocromatina se espalha a partir de um local específico de nucleação, causando o silenciamento da maior parte do cromossomo X, regulando, assim, a dosagem gênica. Figura 3 – A estrutura da cromatina varia ao longo da fi bra cromossômica durante a interfase Fonte: Adaptada de BRUCE, 2017 Aprofunde seus conhecimentos lendo o Capítulo 5 do livro BRUCE, A . Fundamentos da Biologia Celular. 4.ed. Porto Alegre: Grupo A, 2017, disponível em sua Biblioteca Virtual. Teste seu Conhecimento • O que é cromatina e quais são as suas formas de apresentação? • O que são proteínas histonas? • O que são proteínas não histonas? • Diferencie heterocromatina constitutiva e facultativa. Cromossomos Vamos pensar um pouco sobre a morfologia e a estrutura dos cromossomos? 13 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I A estrutura de um cromossomo durante a metáfase é apresentada na Figura a seguir: Cromossomos Homólogos Telômero Braço Curto (P) Centrômero Braço Longo (Q) Cromátides Irmãs Figura 4 – Exemplo de um par de cromossomos homólogos e suas diferentes porções Fonte: Adaptada de Getty Images Durante a metáfase, cada cromossomo possui um par de cromátides irmãs. Os cro- mossomos possuem dois braços unidos pelo centrômero, a saber: braço curto (p) e braço longo (q). As extremidades dos cromossomos são chamadas de telômero (ou região telomérica). Como discutido, durante a metáfase, o cromossomo se torna espesso e filamentoso. Algumas estruturas ficam mais visíveis nessa etapa, mas é importante reforçar que todas as regiões descritas a seguir também estão presentes nos cromossomos interfásicos. Centrômero Os centrômeros são as regiões condensadas do cromossomo responsáveis pela se- gregação precisa do cromossomo replicado durante a mitose e a meiose. Quando os cromossomos são corados, normalmente, eles mostram uma região man- chada de escuro, que é o centrômero. A sequência de DNA nessas regiões é chamada DNA CEN (ou elemento do centrô- mero). Como o DNA CEN pode ser movido de um cromossomo para outro e ainda for- necer ao cromossomo a capacidade de segregar, essas sequências não devem fornecer nenhuma outra função. Normalmente, o DNA do CEN tem cerca de 120 pares de bases e consiste em vários subdomínios, CDE-I, CDE-II e CDE-III. As mutações nos dois primeiros subdomínios não têm efeito na segregação, mas uma mutação pontual no subdomínio CDE-III elimina completamente a capacidade do centrômero de funcionar durante a segregação cromos- sômica. Portanto, o CDE-III deve estar ativamente envolvido na ligação do centrômero aos microtúbulos do fuso mitótico. O local real onde ocorrem as ligações das fibras do fuso é chamado cinetócoro e é composto por proteínas que reconhecem e se ligam a sequências específicas de DNA do centrômero no momento da divisão mitótica. No microscópio eletrônico, o cinetócoro aparece como uma placa (ou disco) com 0,20 a 0,25nm de diâmetro situado nas duas laterais do centrômero. 14 15 A composição proteica exata do cinetócoro é algo que ainda está sendo muito estu- dado. Um complexo de três proteínas chamadas CbfIII se liga a regiões CDE-III normais, mas não pode se ligar a uma região CDE-III com uma mutação pontual que impede a segregação mitótica. Além disso, os mutantes dos genes que codificam as proteínas Cbf-III também elimi- nam a capacidade dos cromossomos segregarem durante a mitose. Análises adicionais dos componentes de DNA e proteína do centrômero são neces- sárias para entender completamente a mecânica da segregação cromossômica. Esse é um bom exemplo de que uma mutação pode ocorrer em uma região não codificadora de uma proteína e ainda assim inviabilizar a divisão de uma célula. Veja essa reconstrução em multiescala, em forma de animação, da organização e das carac- terísticas estruturais do DNA dentro de um cromossomo de uma célula durante a mitose, com especial atenção para a maquinaria molecular envolvida no funcionamento do cinetó- coro durante a divisão celular. Disponível em: https://bit.ly/3gVT8Cm Figura 5 – A estrutura da cromatina varia ao longo da fi bra cromossômica durante a interfase Fonte: Adaptada de BRUCE, 2017 Os cromossomos humanos contêm apenas um centrômero e são conhecidos como cromossomos monocêntricos. O centrômero divide o cromossomo em duas partes e cada parte é chamada braço cromossômico (“p” e “q”). A posição do centrômero varia de cromossomo a cromossomo, proporcionando ao conjunto de cromossomos formas diferentes, e com denominações diferentes: • Metacêntrico: neste tipo de cromossomo, o centrômero ocorre no centro e todas as quatro cromátides têm o mesmo comprimento; 15 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I • Submetacêntrico: neste tipo de cromossomo, o centrômero está um pouco afas- tado do centro e, portanto, as cromátides de um lado são ligeiramente mais longas que o outro lado; • Acrocêntrico: neste tipo de cromossomo, o centrômero está localizado próximo a uma extremidade da cromátide, portanto, as cromátides do lado oposto são muito longas. Uma pequena estrutura redonda,presa por um fio muito fino, é observada no lado da cromátide mais curta. A pequena estrutura redonda que faz parte da cromátide é denominada satélite; • Telocêntrico: neste tipo de cromossomo, o centrômero é colocado em uma extre- midade da cromátide e, portanto, apenas um braço. Figura 6 – À esquerda, vemos a imagem de uma metáfase de uma célula humana vista ao microscópio, e à direita, os tipos de cromossomos, de acordo com a sua forma Além das constrições primárias ou centrômeros, alguns cromossomos também têm constrição secundária constante em sua posição e extensão. Essa constrição ocorre nos cromossomos que contêm os genes que codificam os RNAs ribossomais 5,8S, 18S e 28S e são conhecidas como organizadores nucleolares por induzirem a formação de nucléolos. Essas restrições são úteis na identificação de cromossomos específicos em um conjunto. Teste seu Conhecimento • Como é a estrutura básica de um cromossomo típico? • O que é o centrômero? • Quais são as diferentes formas que um cromossomo humano pode assumir? Diferen- cie cada uma delas; • O que são organizadores nucleares? Telômeros Telômeros são as extremidades cromossômicas ou região terminal do cromossomo eucariótico linear. Os telômeros impedem a fusão de outros segmentos cromossômicos e são necessários para a estabilidade do cromossomo. 16 17 Em humanos, os telômeros são formados por uma sequência constituída por seis nucleotídeos (TTAGGG), repetida cerca de 500 a 5000 vezes. Os telômeros formam “capas” protetoras contra a ação de nucleases e outras influ- ências desestabilizadoras e impedem que as extremidades dos cromossomos se fundam entre si. A telomerase é a enzima responsável pela reposição e manutenção das sequências teloméricas durante as divisões celulares. As células germinativas nascem com o conteúdo completo de repetições teloméricas. À medida que a célula vai envelhecendo, a atividade da telomerase vai reduzindo grada- tivamente, consequentemente, causando o encurtamento dos telômeros. Em cada divisão celular, a célula perde cerca de 100 e 200 nucleotídeos de sequ- ências teloméricas. Dessa forma, após várias divisões, as células-filhas não têm mais a atividade da telomerase e o telômero não é mais reposto. A célula, por sua vez, ativa a resposta a lesões no DNA e a célula não se divide mais. Esse processo é chamado de “senescência celular replicativa” e é uma medida de segu- rança para que a célula não siga se replicando indefinidamente. Uma das consequências desse processo é auxiliar na proteção contra o câncer. Um fibroblasto sofre em média 60 divisões celulares até entrar na fase de “senescência ce- lular replicativa”. Experimentos genéticos de inserção de um gene ativo de telomerase em fibroblas- tos na fase de “senescência celular replicativa” fizeram com que essas células voltas- sem a proliferar indefinidamente. O contrário também é verdadeiro: células geneticamente modificadas sem nenhu- ma atividade de telomerase fazem com que elas sofram envelhecimento precoce. E você, consegue relacionar a atividade da telomerase ao envelhecimento precoce da ovelha Dolly? A atividade anormal da telomerase pode levar a certos distúrbios genéticos como a Síndrome de Werner, que é uma doença genética rara associada ao envelhecimento prematuro, fazendo com que os pacientes envelheçam muito mais rapidamente do que o normal, ainda na terceira década de vida. • Telômeros, telomerase e seus papéis no câncer. Acesse o Artigo. Disponível https://bit.ly/3vRgoWw • Telômeros e telomerase . Disponível em: https://bit.ly/35PSbVR • Câncer e o ciclo celular. Disponível em: https://bit.ly/35TkXoE • Síndrome de Werner. Disponível em: https://bit.ly/3gS4KX7 • Envelhecimento precoce da ovelha Dolly? Disponível em: https://bit.ly/3vR8JYk A seguir, veja um resumo da estrutura e da composição de um cromossomo eucarió- tico típico e suas principais características: 17 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I Telômero Telômero Origem de replicação Origem de replicação Centrômero Origem de replicação Origem de replicação Genes Sequências repetitivas Principais características: Cromossomos eucarióticos geralmente são lineares. Um cromossomo típico possui dezenas a centenas de milhões de pares de bases de comprimento. Cromossomos eucarióticos ocorrem em conjuntos. Muitas espécies são diplóides o que signi�ca que suas células somáticas contêm dois conjuntos decromossomos. Os genes estão intercalados por todo o cromossomo. Um cromossomo típico contém entre algumas centenas até vários milhares de genes diferentes. Cada cromossomo contém várias origens de replicação que estão inrcaladas a cada cerca de 100.000 pb. Cada cromossomo contém um centrômero que forma um sítio de reconhecimento para as proteínas que compõe essa região do cromossomo. Os telômeros contêm sequências especializadas localizadas em ambas as extremidades do cromossomo linear. Sequências repetitivas são comumente encontradas próximas às regiões centroméricas e reloméricas, mas podem estar intercaladas por todo cromossomo. Figura 7 – Um cromossomo eucariótico típico mostrando algumas das estruturas genéticas e atividades que carrega Insights importantes • Se desdobrado, o DNA no núcleo de cada célula teria 2 metros de comprimento. Os seres humanos têm aproximadamente 100 trilhões de células. Em outras palavras, se todo o DNA de todas as células do corpo de uma pessoa fosse remendado, for- mariam um fio de 200 bilhões de quilômetros, ou mais de 1.000 vezes a distância entre a Terra e o Sol; • Genes para o mesmo recurso aparecem no mesmo local (lócus gênico) em cada par correspondente de cromossomos em todas as células do corpo humano (cro- mossomos homólogos); • O 23º par de cromossomos em humanos decide de que sexo você é, e os cromos- somos sexuais são chamados X e Y; • Em alguns casos extraordinários, as pessoas nascem com um cromossomo a mais. Os nascidos com três cromossomos 21 têm Síndrome de Down. As alterações cro- mossômicas serão abordadas na próxima Unidade; • Demora cerca de 8 horas para uma de suas células copiar completamente seu DNA; • Os seres humanos compartilham 7% dos genes com a bactéria E. coli, 21% com ver- mes, 90% com ratos e 98% com chimpanzés. Teste seu Conhecimento • Como se apresenta um cromossomo eucariótico típico? • Qual é o tamanho aproximado de um cromossomo em pares de base? • Em que porções do cromossomo se localizam regiões altamente repetitivas? • O que são os telômeros? 18 19 Cariótipo Cromossômico Humano No final do século XIX, surgiam as primeiras ideias sobre cromossomos, numa época na qual os primeiros estudos sobre mitose estavam em andamento. Em 1866, Haeckel propôs que o núcleo celular era o principal agente responsável pela divisão das células. O primeiro cientista, entretanto, a descrever o processo da divisão celular mitótica de forma clara foi o zoólogo alemão Anton Schneider, em 1873. Mais tarde, outros cientis- tas ampliaram os estudos sobre mitose. A citogenética é resultado da contribuição de muitos estudiosos, como Flemming, considerado o pai da Citogenética, e responsável pelo termo “mitose”. Importante! Não confundir Walther Flemming com Alexander Fleming. Walther Flemming (1843- 1905) foi um alemão biólogo e fundador da Citogenética. Alexander Fleming (1881- 1955) foi um médico inglês, que descobriu a penicilina (antibiótico). A ideia de que os cromossomos estariam envolvidos com herança surgiu apenas em 1887, nos trabalhos de Weismann, que os introduziu em sua Teoria de Herança, mesmo com total ignorância das Leis de Mendel, que foram redescobertas apenas em 1900, por três cientistas: Correns, de Vries e Tschermak. Você Sabia? A princípio, as Leis de Mendel não foram reconhecidas. Levou certo tempo até que os Princípios estudados pelo nobre monge fossem retomados por outros cientistas, que usaram as Leis propostas por Mendel para as Teorias da Herança Cromossômica. Esse foi um marco para o estudo dos cromossomos,nos quais a Citologia e a Genética passaram a sobrepor seus conhecimentos numa Área posteriormente denominada Citogenética. O termo “Citogenética” denota o ramo da Genética dedicado ao estudo da estrutura e da função dos cromossomos nos estudos de saúde e da doença. O progresso da Citogenética Clássica se deu a partir do início do século passado, acompanhando o aprimoramento de Técnicas e dos Equipamentos de Microscopia, fundamentais para essa área de estudo. Uma definição mais recente da Citogenética postula que se trata da Ciência que estuda os constituintes celulares portadores da informação genética (cromossomos). Teste seu Conhecimento • O que é a Citogenética? • De que forma o avanço da Genética Clássica contribuiu para a Citogenética? 19 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I O cariótipo é a descrição numérica (número e tamanho) dos cromossomos de uma célula diploide normal. O Homo sapiens tem 23 pares de cromossomos homólogos, sendo 22 pares de cro- mossomos autossômicos ou não sexuais e 1 par de cromossomos sexuais, totalizando 46 cromossomos. O número total de células em um humano adulto médio é algo em torno de 100 trilhões, e, exceto as hemácias e os gametas, as demais células contém 46 cromossomos por núcleo. A célula diploide humana é representada da seguinte forma: “2n = 46”. Mais especi- ficamente, o cariótipo feminino é descrito como 46,XX e o masculino, 46,XY. A designação XX é devida ao par de cromossomos sexuais homomórficos da fêmea humana e XY ao par de cromossomos sexuais heteromórficos (um cromossomo X e um Y) do macho humano. Os cromossomos sexuais contêm genes relacionados ao sexo de um indivíduo. Relembrando, a Citogenética estuda as características estruturais e numéricas dos cromossomos. Qualquer defeito, tanto na estrutura quanto no número de cromossomos, pode causar anomalias. Por isso, o estudo do cariótipo é tão importante. A análise citogenética pode detectar modificações no cariótipo, tais como inserções, deleções e alterações no número cromossômico e correlacionar com alterações no fe- nótipo do indivíduo. Por exemplo, a Síndrome de Down é causada pela trissomia do cromossomo humano 21. A observação de cromossomos é feita por um processo chamado cariotipagem, palavra derivada do grego karyon, que significa “núcleo”. A visualização do núcleo e de seus componentes é feita por fotografias no microscópio. Como explicado, os cromossomos são mais bem observados durante o estágio meta- fásico da divisão celular, pois são encontrados no estado mais condensado. Na imagem a seguir, repare nos diferentes padrões entre os cromossomos humanos. Figura 8 20 21 O cariótipo é uma forma de organizar e apresentar a composição cromossômica de um indivíduo. Na figura anterior, em (A), vemos o Sistema de Classificação convencional dos cromossomos humanos, denominado bandeamento G. Essa técnica será mais bem compreendida nos tópicos a seguir desta Unidade. Em (B), temos a imagem de uma metáfase de uma célula humana vista ao microscópio. Em (C), temos a montagem dos mesmos cromossomos, na forma de cariótipo. A técnica de preparação utilizada resulta na formação de um padrão de bandas específico para cada par cromossômico, facilitando sua identificação. Note que o cariótipo é de um indivíduo do sexo mascu- lino, isto é, possui 22 pares de cromossomos autossômicos e 1 par de cromossomos sexuais (XY). Teste seu Conhecimento • O que é o cariótipo? • Quantos e quais são os cromossomos humanos? • O que são e quais são os cromossomos sexuais? • O que são cromossomos autossômicos? • O que é cariotipagem? Como obter e analisar um cariótipo? Como citado, os cromossomos são analisados por um processo de cariotipagem. Vários tipos de células humanas podem ser cultivados em laboratório e, quando uma célula atinge o estágio de metáfase da divisão celular, ela pode ser “pausada” e fotogra- fada microscopicamente. O procedimento atual usado para a cariotipagem envolve o cultivo de células brancas do sangue (leucócitos) de indivíduos adultos, mas o cariótipo pode ser feito precocemente, em fetos humanos de apenas 16 semanas. Nesse caso, o fluido do saco amniótico pode ser usado, vez que geralmente contém células do feto em desenvolvimento e, pela amniocentese, algumas dessas células po- dem ser removidas e estudadas, de forma que anormalidades possam ser detectadas antes do nascimento (pré-natal). Os cromossomos podem ser corados por corantes específicos de pares de bases, por exemplo A-T (chamadas de bandas G) ou G-C (bandas R). Uma vez corados, os cromossomos em fase mitótica têm uma estrutura em faixas (ou certo padrão de bandas), que identifica inequivocamente cada cromossomo de um cariótipo, isto é, cada cromossomo assume um padrão de faixas (ou bandas) com carac- terísticas únicas. Cada uma dessas bandas contém milhões de pares de nucleotídeos de DNA, que não estão relacionados a nenhuma estrutura funcional. Você verá que existem várias formas de se corar os cromossomos para finalidades diagnósticas. 21 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I O bandeamento G, por exemplo é obtido pela coloração com Giemsa, e é mais co- mumente empregado em Citogenética. Outros tipos de bandeamento serão abordados posteriormente, nesta Unidade. Após a obtenção das fotografias, elas são aumentadas e é montada uma placa de metáfase. Essas placas podem ser usadas para preparar um cariótipo pelo recorte dos cromossomos aumentados e pela alocação deles em uma ordem particular. Na visualização para análise do cariótipo, os cromossomos são pareados e classifi- cados em grupos de acordo com seu comprimento e com a localização dos centrômeros (apresentando diferentes tamanhos para os braços p e q). Os pares de autossomos são arranjados em sete grupos (A-G), em ordem decrescente de tamanho. Uma vez que os pares de cromossomos de um mesmo grupo são bastante similares em tamanho e aparência visível, é necessário o uso de informações bioquímicas para determinar certo par entre os pares de um mesmo grupo. Os dois cromossomos sexuais não são numerados. Teste seu Conhecimento • O que é a Técnica de Bandeamento? • O que são bandas claras e bandas escuras na Técnica de Bandeamento? Na Tabela a seguir, observe cada um dos tipos de cromossomos e seus respectivos grupos de acordo com suas características: Tabela 2 – Tipos de cromossomo e seus respectivos grupos Grupo A – Cromossomos 1, 2 e 3 Braços muito longos com centrômeros metacêntricos Figura 9 Fonte: Adaptada de Wikimedia Commons Grupo B – Cromossomos 4 e 5 Longos com centrômeros submetacêntricos Figura 10 Fonte: Adaptada de Wikimedia Commons Grupo C – Cromossomos 6 a 12 Médios com centrômeros submetacêntricos Figura 11 Fonte: Adaptada de Wikimedia Commons Grupo D – Cromossomos 13, 14 e 15 Médios com centrômeros próximos da extremidade Figura 12 Fonte: Adaptada de Wikimedia Commons 22 23 Grupo E – Cromossomos 16, 17 e 18 Pequenos, metacêntricos (16) ou submetacêntricos (17 e 18) Figura 13 Fonte: Adaptada de Wikimedia Commons Grupo F – Cromossomos 19 e 20 Menores que os do grupo E, com centrômeros subme- tacêntricos Figura 14 Fonte: Adaptada de Wikimedia Commons Grupo G – Cromossomos 21 e 22 Muito pequenos, em formato de fúrcula Figura 15 Fonte: Adaptada de Wikimedia Commons XX, XY – Cromossomos sexuais Figura 16 Fonte: Adaptada de Wikimedia Commons A representação esquemática a seguir mostra o cariótipo de um homem típico, sepa- rado de acordo com os grupos A a G: Figura 17 Fonte: Adaptada de Wikimedia Commons Assista ao vídeo a seguir para compreender como é realizado um cariótipo humano pela Citogenética. Disponível em: https://youtu.be/YWypXOdQhFo 23 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I Teste seu Conhecimento • Quantos e quais são os grupos de cromossomos humanos para efeito de cariotipagem? • Quais são as características dos cromossomos que são levadas em conta para sua dis- tribuição em grupos? Anormalidades no número de cromossomosX Um procedimento muito simples conhecido como esfregaço bucal pode ser usado para determinar o número de cromossomos X de uma pessoa. As células do epitélio bucal de mulheres possuem uma área que é corada muito inten- samente, chamada Corpúsculo de Barr. Um Corpúsculo de Barr é um cromossomo X condensado que se torna geneticamente inativo em um estágio bastante inicial do desenvolvimento. As células de mulheres normais que são examinadas após esse estágio não contêm dois cromossomos X, mas sim um cromossomo X e um Corpúsculo de Barr (X inativo). Em homens, essa condensação não ocorre e, assim, as células masculinas apresen- tam ambos os cromossomos sexuais, X e Y. Às vezes, um número diferente de cromossomos ou cromossomos impropriamente formados causam um desenvolvimento anormal. É possível que as células de um embrião feminino contenham três cromossomos X (XXX) ou até quatro deles (XXXX), e também é possível que células de um embrião masculino tenham de dois a quatro cromossomos X (XXY, XXXY, XXXXY). Se alguma dessas situações ocorre, o número total de cromossomos é aumentado. Tanto em homens quanto em mulheres, todos os cromossomos X menos um (X-1) se condensarão formando Corpúsculos de Barr, e um número impróprio de Corpúsculos de Barr pode indicar anormalidades em um indivíduo. As anormalidades serão melhores estudas na próxima Unidade. Testes os seus Conhecimentos • As mulheres possuem dois cromossomos X, um do pai e um da mãe. Como saber qual deles ela irá inativar? Inativação do cromossomo X feminino. Disponível em: https://bit.ly/2UyW9jj A seção “Inativação do Cromossomo X” no Capítulo 6 do Livro THOMPSON, J., THOMPSON, M. Genética médica. 7.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008. Preste atenção às fi- guras 6-13 e 6-15 dessa seção. 24 25 Teste seu Conhecimento • O que são anormalidades do cromossomo X? • O que é o Corpúsculo de Barr? • Quais as principais diferenças entre os cromossomos sexuais X e Y? Tipos de Bandeamento Cromossômico As diferentes técnicas de Bandeamento Cromossômico tornaram as aplicações cito- genéticas mais elaboradas. Na sequência, falaremos de alguns tipos de Bandeamento Cromossômico, a saber: Bandas Q, Bandas G, Bandas R, Bandas C, Bandas T, Bandas NOR, Bandeamento de Alta Resolução e Fish. Bandas Q Nesse tipo de bandeamento, os cromossomos são submetidos ao tratamento com uma substância fluorescente denominada Quinacrina mostarda. Dessa forma, os cromossomos começam a apresentar faixas com distintas intensi- dades de fluorescência. Cada cromossomo assume um padrão de bandas brilhantes e opacas distinguíveis entre si. A denominação “Banda Q” está justamente associada ao composto usado na Téc- nica (Quinacrina). As regiões mais fortemente marcadas são ricas em AT e devem ser analisadas por microscopia de fluorescência. Essa Técnica tem grande importância na detecção de de- leções, inversões e duplicações dos cromossomos humanos. Figura 18 Fonte: Reprodução A coloração dos cromossomos com quinacrina (Bandas Q) fornece bandas que fluo- rescem com a exposição à luz UV. Os padrões podem ser correlacionados às Bandas G (descritos a seguir). Uma desvantagem da técnica é que a intensidade da fluorescência desaparece rapidamente, portanto, observações e fotografias devem ser feitas poucos minutos após a coloração. 25 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I Bandas G Nesse tipo de Bandeamento, os cromossomos são, primeiramente, desproteinizados por ação da tripsina e, a posteriori, corados com Giemsa. A denominação de “Bandas G” também segue o nome do corante utilizado. Nessa técnica, os cromossomos apresentam um padrão de Bandas claras e escuras, sendo as faixas escuras correspondentes ao segmento de DNA rico em Bases AT e, portanto, poucos genes ativos, e as bandas claras correspondentes ao DNA rico em bases GC, região com muitos genes ativos. Esta técnica tem fundamental importância na detecção de deleções, inversões e du- plicações dos cromossomos humanos, assim como o Bandeamento por Bandas Q. Figura 19 Fonte: Reprodução A coloração por Giemsa dos cromossomos desnaturados revela padrões de bandas ca- racterísticos que podem ser usados para identificar cromossomos individuais. Giemsa é um corante de proteína: as bandas de coloração escura são descritas como heterocro- máticas e se correlacionam com regiões cromossômicas geneticamente inativas. Áreas levemente coradas são eucromáticas e estão associadas a regiões ativas. O padrão de Bandas G dos cromossomos humanos associa a Citogenética Clássica à Genômica, atri- buindo conjuntos de genes a bandas específicas. Bandas R Neste tipo de Bandeamento, os cromossomos são tratados com solução salina e ca- lor, em uma espécie de desnaturação controlada e, na sequência, corados com Giemsa. Curiosamente, o resultado de bandas claras e escuras observados em cada cromossomo é inverso do encontrado nas Técnicas de Bandeamento Q e G. 26 27 Dessa forma, a denominação de “Bandas R” segue a sugestão do nome “Reversas”. Figura 20 – Cromossomos de um homem pela Técnica de Bandeamento R Fonte: pathology.washington.edu Bandas C Neste tipo de Bandeamento, os cromossomos são tratados com uma solução de hidróxido de bário antes da coloração por Giemsa. Esta técnica permite corar especifi- camente regiões do cromossomo que possuem DNA altamente repetitivo. Dessa forma, observam-se regiões centroméricas e adjacentes, bem como o braço longo do cromossomo Y e os telômeros que correspondem à heterocromatina constitu- tiva, sendo por essa razão denominado de Bandeamento C. Figura 21 – Bandeamento C de cromossomos humanos de uma mulher. Note que apenas os centrômeros de cada cromossomo estão destacados Fonte: pathology.washington.edu Bandas T Nesta técnica, é possível destacar as regiões teloméricas dos cromossomos, isto é, as extremidades terminais de cada cromossomo a que sabemos ter a função em manter a estabilidade cromossômica, bem como sua integridade. 27 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I Por esse motivo, foi denominada Bandeamento T (Telomérico). Figura 22 – Cromossomos humanos pela Técnica de Bandeamento T Fonte: projects.ncsu.edu Os telômeros foram corados com um corante fluorescente que aparece verde sob um microscópio de luz fluorescente. Observe que os telômeros estão presentes nas extre- midades de ambos as cromátides em cada cromossomo replicado. Teste seu Conhecimento • O que é Bandeamento G? • Por que o Bandeamento Q possui esse nome? • Por que o Bandeamento por Bandas C não apresenta uma grande variedade de pa- drões de bandas claras e escuras ao longo dos cromossomos? FISH É sigla do inglês “Fluorescence In Situ Hybridization” (Hibridização In Situ de Fluorescência). É o maior progresso da Citogenética nos últimos anos. A técnica baseia-se na for- mação duplex, sob condições bem definidas, de um fragmento de ácido nucleico de fita simples modificado (sonda ou probe) e sua sequência complementar (sequência alvo) em um espécime biológico fixado. Detecta sequências específicas de ácidos nucleicos, como regiões de microdeleções e rearranjos cromossomais. Essa técnica pode ser usada para estudar os cromossomos de células em metáfase, mas seu principal uso é nas células em interfase, quando anormalidades numéricas e algumas estruturais podem ser detectadas. 28 29 Figura 23 – Identifi cação de cromossomos humanos por Hibridização In Situ Fluorescente (FISH) Na Figura, as sondas de DNA específicas para regiões também específicas dos cro- mossomos são conectadas a marcadores fluorescentes, o que favorece essa impressão de “pintura cromossômica”. A imagem de um conjunto ordenado de cromossomos humanos mostra uma imagem de “cores falsas” gerada por computador, na qual pequenas variações no comprimento de onda da fluorescência entre as sondas são aprimoradas como cores primárias distintas. A combinação de sondas que hibridam com um cromossomo específico produz um pa- drão único para cada cromossomo.Isso facilita a detecção de deleções e translocações entre os cromossomos, alterações comumente estudadas por estas técnicas de bandeamento: • Bandeamento NO R: Nesta técnica as regiões satélites do cromossomo, como a região organizadora do nucléolo (constrição secundária), são coradas utilizando prata (Ag); • Bandeamento de Alta Resoluçã o: No Bandeamento de Alta Resolução, os cro- mossomos podem ser analisados ainda na fase da prófase, prometáfase ou, ainda, em metáfase, evidenciando um número muito superior de bandas em relação às demais técnicas (motivo de sua denominação), sendo capaz de expor mais de 2000 bandas em um cariótipo humano. Uma vantagem desse tipo de Bandeamento é que pode ser usado conjuntamente às Bandas Q, G e R, aumentando as suas re- soluções e detectando até mesmo pequenas alterações cromossômicas, chamadas também de microdeleções. Como escolher o corante correto? Leia a parte 2 do documento. Disponível em: https://bit.ly/2UtvnZF Teste Seu Conhecimento • O que é a técnica de FISH aplicada às análises citogenétcias? • Como a técnica de FISH localiza regiões específicas no cromossomo? • Cite aplicações da Técnica de FISH para o diagnóstico de algumas doenças; • O que é o Bandeamento de alta resolução? 29 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I Relação entre as Técnicas de Bandeamento Como vimos, uma banda pode ser definida como a parte de um cromossomo que é claramente distinguível de seus segmentos adjacentes por parecer mais escura ou mais brilhante quando manipuladas por uma ou mais Técnicas de Bandeamento. Podemos dividir as Técnicas em dois grupos: • Técnicas que resultam em Bandeamento ao longo de todo um cromossomo, como, por exemplo, as técnicas de Q, G e R; • Técnicas que resultam em um número restrito de bandas ou corando apenas estru- turas específicas. Incluem os Métodos de Bandeamento das regiões do centrômero (Bandas C) e as regiões organizadoras de nucléolos, NOR (regiões terminais de cromossomos acrocêntricos). Assim, cada Técnica tem sua aplicação, a depender do caso a ser analisado. As Ban- das C não permitem a identificação de todos os cromossomos de uma célula somática humana, mas são úteis na identificação de cromossomos específicos. As bandas G e R têm vantagens como a de poderem ser analisadas em campo claro (microscopia de luz) ou fluorescente. Cada Técnica é capaz de produzir uma dada resolução de bandas ao longo (ou espe- cificamente) de um cromossomo. Por exemplo, uma técnica por Bandeamento G pode gerar uma resolução de 400 a 550 bandas em um cromossomo. Já o Bandeamento de alta resolução pode aumentar essa resolução, permitindo a visualização de 850 bandas: Figura 24 Fonte: Adaptada de ADLER, 1994 Na imagem, vemos a representação do cromossomo 4 humano em três padrões de re- solução de Bandas: 400 (A), 550 (B) e 850 (C). Repare que o poder de resolução aumen- ta de A para C, evidenciando, em maiores detalhes, as Regiões, Bandas e Sub-bandas. 30 31 Teste seu Conhecimento • O que é a resolução do padrão de Bandas, em termos, e como essa resolução varia? • Analise a figura acima e descreva como o aumento da resolução nas Técnicas de Ban- deamento Citogenético contribui para o diagnóstico de doenças. Figura 25 – Um ideograma é um esquema dos cromossomos de uma determinada espécie Fonte: pathology.washington.edu Na figura acima, vemos um ideograma dos cromossomos humanos em um Bandea- mento com resolução de 400 . Em geral, vimos que as formas de Bandeamento garantem diferentes padrões de resolução. Há um grande espectro de resoluções em termos de análises cromossômicas, como também genômicas. Essa resolução é dependente da abordagem diagnóstica a ser em- pregada para cada situação. Por exemplo, em uma análise do genoma haploide ou a visualização dos cromossomos inteiros, pode-se apenas realizar cariotipagem-padrão. No entanto, se o desejo é analisar as diferentes regiões ao longo dos cromossomos em seu conjunto completo, o indicado é usar uma Técnica de Bandeamento que permita a visualização desejada para tal abordagem, seja ela para bandeamento de rotina (com resolução entre 400-550 bandas) ou de alta resolução (850 bandas). Algumas abordagens diagnósticas requerem a análise de regiões submicroscópicas, isto é, a observação de bandas específicas e de difícil distinção pelas Técnicas comentadas. 31 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I Dessa forma, é necessária uma abordagem específica e precisa, como a de hibridização genômica comparativa, microarranjos cromossômicos ou a técnica FISH, já comentada. Para além das análises cromossômicas, é possível analisarmos sequências específicas do DNA ou até mesmo um único nucleotídeo. Nesse caso, estaremos realizando uma análise puramente genômica e, para isso, é preciso realizar o sequenciamento do genoma, seja ele parcial, seja completo. Na figura a seguir, veja uma breve comparação acerca das unidades de resolução em análises cromossômicas e genéticas e as abordagens diagnósticas adotadas. 1 10 102 103 104 105 106 107 108 109 Genoma haploide Cromossomo inteiro 400-550 bandas 850 bandas Região submicroscópica Nucleotídeos Pa re s d e b as e 1 – 1.000 pb 50 – 250.000 pb 1 – 3.000.000 pb 5 – 15.000.000 pb 50 – 250.000.000 pb >3.000.000.000 pb Cariotipagem-padrão Bandeamento de rotina Bandeamento de alta resolução Hibridização genômica comparativa FISH Microarranjos cromossomicos Sequenciamento de genoma completo Unidade de resolução Tamanho aproximado Abordagem diagnóstica Au m en to de re so lu çã o Figura 26 – Espectro de resolução de algumas análises cromossômicas e genômicas Fonte: Adaptada de THOMPSON, 2016 Veja que há uma resolução típica e uma faixa de eficiência para cada abordagem diag- nóstica usadas rotineiramente em análises cromossômicas e genômicas. Pares de base (pb) e Hibridização In Situ por Fluorescência (FISH). No link a seguir, você encontrará um esquema dos cromossomos humanos (ideograma). Note como o padrão de Bandas de um cromossomo é característico quando relacio- nado à posição do centrômero, tamanho dos braços (curtos e longos). Você pode clicar em cada um dos cromossomos e observar os padrões de banda das diferen- tes resoluções. Se necessário, ative o tradutor para Português do seu navegador. Disponível em: https://bit.ly/3dq6xQZ Teste seu Conhecimento • O que é um ideograma? • Qual a diferença entre um Bandeamento G e um Bandeamento de alta resolução? • Em termos de resolução, entre um Bandeamento G ou Q e a Técnica de FISH, qual possui maior resolução e por quê? • Qual das técnicas comentadas é satisfatória para a pesquisa de grandes inserções ou deleções nos cromossomos? • Qual das técnicas comentadas é adequada para análise em regiões submicroscópicas? 32 33 Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Vídeos Do DNA à proteína https://youtu.be/6nxRxoGME_I Biologia – Fisiologia – Os cromossomos https://youtu.be/x67X-VQAFEc DASA Apoio: Citogenética https://youtu.be/dFnrpQOBcMs Cariótipo | CEFERP https://youtu.be/2gA9xqtvGwQ Leitura Abordagem citogenética e molecular em material de abortos espontâneos https://bit.ly/3h1filE Análise citogenética e FISH no monitoramento da LMC em tratamento com inibidores da tirosino quinase https://bit.ly/3h3WeDr 33 UNIDADE Genética Humana Diagnóstica I Referências ADLER, D. Idiogram Album. Human Copyright©. 1994. Disponível em: <http:// www.pathology.washington.edu/research/cytopages/idiograms/human/>. ARNALDO ZAHA. Biologia Molecular Básica. 5.ed. Porto Alegre: Mercado Aberto, 2014. BORGES-OSÓRIO, R.; ROBINSON, W. M. Genética Humana. 3.ed. São Paulo: Artmed, 2013. BROWN, T. A. Genética: um enfoque molecular. 5.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1999. BRUCE, A.; JOHNSON, A.: PETER, W. Biologia Molecular da Célula. 5.ed. São Paulo: Artmed, 2010. ________. Fundamentos da Biologia Celular. 4.ed. São Paulo: Grupo A, 2017. COOPER, G. M. A célula:uma abordagem multidisciplinar. 2.ed. Porto Alegre: Artes Médicas, 2001. JORDE, L. B. et al. Genética Médica. 2.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1999. OTTO, P. G.; OTTO, P. A.; PESSOA, O. F. Genética humana e clínica. 2.ed. São Paulo: Roca, 2004. SNUSTAD, P.; SIMMONS, M. J. Fundamentos de Genética. 2.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2001. THOMPSON, J., THOMPSON, M. Genética médica. 7.ed. 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