Herança Mitocondrial

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Herança Mitocondrial 
 Mitocôndrias 
 ● São organelas essenciais e dinâmicas, 
 localizadas no citoplasma de todas as 
 células eucariotas. 
 ● Surgiram por um processo 
 endossimbiótico e são consideradas 
 organelas semiautônomas, uma vez 
 que, por apresentarem genoma 
 próprio, designado de ácido 
 desoxirribonucleico mitocondrial ou 
 DNA mitocondrial, conseguem manter 
 a capacidade de replicação e síntese 
 protéica independente do resto da 
 célula. 
 ● Sua principal função é fornecer 
 energia à célula por meio da síntese de 
 ATP, através da fosforilação oxidativa. 
 ● É constituída por mais 1.500 proteínas 
 codi�cadas tanto por genes 
 mitocondriais, quanto nucleares, logo, 
 o funcionamento perfeito da 
 mitocôndria depende de uma interação 
 apropriada entre os dois genomas. 
 ● A cadeia respiratória mitocondrial é a 
 maior fonte de radicais livres e 
 contribuem para um elevado número 
 de doenças humanas, em geral, em 
 tecidos com alto requerimento 
 energético como cérebro, retina, 
 coração,músculo, fígado e o sistema 
 endócrino. 
 mtDNA 
 -DNA Mitocondrial 
 O DNA mitocondrial é uma molécula circular 
 (fechada) de �ta dupla com duas cadeias 
 complementares- com exceção de algumas 
 espécies, como no caso do protozoário ciliado 
 paramecium aurelia (alga), onde é linear. 
 Contém 16.569 pares de base (pb) 
 completamente sequenciados em 1981 por 
 Anderson Et. Al. e colaboradores; e está 
 localizado no interior das cristas 
 mitocondriais, ou seja, além da membrana 
 celular, ainda se encontra protegido pela 
 membrana externa da mitocôndria e interna 
 que formam as cristas mitocondriais. 
 Há 2 à 10 genomas mitocondriais por 
 mitocôndria em humanos e múltiplas 
 mitocôndrias por célula, o que corresponde 
 aproximadamente mil a 10 mil ( 1 0 3 ) ( 1 0 4 )
 cópias por célula do DNA mitocondrial, ou 
 seja, diferente do genoma nuclear, o DNA 
 mitocondrial é poliplóide. O elevado número 
 de cópias é uma propriedade que confere 
 vantagem, no caso das análises genéticas, 
 quando a quantidade de DNA é baixa ou quando 
 está altamente degradado nas amostras. 
 As duas cadeias do DNA mitocondrial são 
 denominadas cadeia pesada ( , heavy ) mais 𝑂 
 𝐻 
 externa, rica em cadeias guaninas, e cadeia 
 leve ( , light ), mais interna, rica em bases 𝑂 
 𝐿 
 citosina. Essas cadeias geram dois longos 
 transcritos, a partir de dois promotores, o 
 que também difere do DNA nuclear, onde cada 
 gene possui um promotor e são transcritos 
 separadamente. 
 Há 37 genes mitocondriais, os quais 
 codi�cam: 
 ● 13 proteínas que atuam no processo de 
 fosforilação oxidativa. 
 E dentre os demais 24: 
 ● 22 codi�cam para RNAs 
 transportadores; 
 ● 2 RNAs ribossomais. 
 Ambos necessários para tradução ou síntese 
 de cadeias polipeptídicas. 
 Uma característica interessante é que são 
 necessários somente 22 tipos de RNA 
 transportadores para síntese proteica. Estes, 
 a partir do seu anticódon, reconhecem 
 qualquer uma das quatro bases presentes na 
 terceira posição do códon, portanto, há uma 
 oscilação muito maior no terceiro códon em 
 relação ao genoma nuclear. 
 Assim como o DNA nuclear, o DNA 
 mitocondrial contém regiões codi�cantes e 
 não-codi�cantes. No entanto, quase a 
 totalidade do DNA mitocondrial é codi�cante, 
 possuindo apenas uma região não-codi�cante 
 denominada alça D-loop , que representa 
 aproximadamente 7% do genoma 
 mitocondrial. O DNA nuclear, ao contrário, 
 apresenta aproximadamente 97% de suas 
 sequências não-codi�cantes. 
 A alça D-loop é a única região de início de 
 replicação de ambas as cadeias (pesada e 
 leve), sendo também denominada de Região 
 Controle do DNA Mitocondrial. Todo o 
 restante da sequência é codi�cante e os genes 
 não contém íntrons, ou seja, só são 
 constituídos por éxons. 
 Nota: Os éxons são sequências de bases 
 transcritas e traduzidas, enquanto os íntrons são 
 sequências transcritas e não traduzidas. 
 Características 
 ● A herança mitocondrial é 
 principalmente materna. 
 ↪ A transmissão uniparental faz o DNA 
 mitocondrial um sistema genético haplóide 
 extremamente útil na identi�cação de 
 membros de uma família que partilhem o 
 mesmo antecessor materno, visto que seus 
 genomas mitocondriais são idênticos. 
 Por que herança só materna? 
 A contribuição dos gametas femininos para o 
 citoplasma dos zigotos é maior em relação ao 
 espermatozóide, diferente do genoma 
 nuclear, onde a contribuição de ambos os 
 gametas é igual. 
 Em alguns casos pode haver a transmissão 
 paterna de algumas mitocôndrias, porém 
 alguns autores mencionam que parece haver 
 uma destruição seletiva durante a fecundação 
 e seria desprezível essa herança caso um 
 número pequeno fosse transmitido, 
 provavelmente, não tendo implicação no 
 fenótipo, representando uma exceção. 
 Como uma exceção à regra de herança 
 materna do DNA mitocondrial em eucariontes, 
 podemos citar o caso dos moluscos bivalves, 
 onde há transmissão do DNA mitocondrial 
 paterno pelo esperma e essa molécula se 
 estabelece somente nas células da gônada 
 masculina. 
 ● Outra característica do DNA 
 mitocondrial é a ausência de 
 recombinação, o que o torna também 
 um bom marcador genético. 
 ● Ainda como característica, o DNA 
 mitocondrial apresenta uma elevada 
 taxa de mutação, o que o torna uma 
 molécula polimór�ca que evolui cinco a 
 dez vezes mais rapidamente do que o 
 genoma nuclear. Alguns fatores 
 buscam explicar essa maior 
 vulnerabilidade às mutações, por 
 exemplo: 
 ○ A ausência de histonas como 
 envoltório protetor e também 
 ao ataque oxidativo, provocado 
 por radicais livres. 
 ○ Os mecanismos de reparação 
 de erros do DNA mitocondrial 
 também são menos e�cientes 
 que os mecanismos nucleares, 
 devido à baixa �delidade da DNA 
 polimerase (gama), única γ
 responsável pela polimerização 
 das novas �tas do DNA 
 mitocondrial. 
 O código genético difere do 
 considerado universal, por exemplo, 
 UGA representa um códon de término 
 de tradução no genoma nuclear e no 
 mitocondrial codi�ca para triptofano; 
 do mesmo modo AUA que especí�ca 
 para isoleucina no código genético 
 nuclear, no mitocondrial corresponde 
 a metionina; e os dois códons AGA e 
 AGG ao invés de especi�car para 
 arginina, no genoma mitocondrial 
 representam os stop códons. 
 Genoma Mitocondrial x Genoma Nuclear 
 Padrão de Herança Mitocondrial 
 (parte 1) 
 A herança Mitocondrial não segue herança 
 Mendeliana sendo, como mencionado, 
 exclusivamente materna. 
 Neste heredograma típico de herança 
 Mitocondrial todos os descendentes 
 independente do sexo compartilham DNA 
 Mitocondrial transmitido apenas por sua 
 genitora. 
 A transmissão materna do DNA mitocondrial 
 permite rastrear a linhagem familiar tanto 
 no caso de doenças de origem mitocondrial, 
 quanto em casos forenses para, por exemplo, 
 análise de parentesco, na identi�cação de 
 pessoas desaparecidas, assim como em 
 estudos sobre a evolução biológica. 
 Como exemplo de utilização do DNA 
 Mitocondrial em estudos evolutivos e de 
 migrações humanas, podemos citar a Eva 
 Mitocondrial que é o mais recente ancestral 
 comum, por descendência matrilinea, de todos 
 os seres vivos na atualidade. Esse DNAmitocondrial foi passando, embora com 
 modi�cações, de geração em geração e está 
 agora presente em todas as pessoas do 
 mundo. 
 Segundo a hipótese cientí�ca mais aceita, tem 
 origem na África e é a contraparte do Adão y, 
 o mais recente ancestral comum patrilineo 
 identi�cado por sequências especí�cas do 
 cromossomo Y que do mesmo modo não sofre 
 recombinação, no entanto, no caso do Y 
 apenas os descendentes do sexo masculino 
 herdam a sequência diferente do DNA 
 mitocondrial passado da mãe e para todos os 
 �lhos independente do sexo. Outro caso 
 emblemático de utilização da análise do DNA 
 mitocondrial, nesse caso com aplicação 
 forense, é o das avós da praça de Maio na 
 Argentina, as quais a ciência ajudou a 
 recuperar os seus netos, �lhos de pais 
 desaparecidos durante a ditadura militar 
 nesse país que durou de 1976 a 1983. Há anos 
 essas mulheres buscavam uma maneira de 
 provar que seus netos roubados eram �lhos e 
 �lhas e suas �lhas e �lhos. Em muitos casos 
 havia provas circunstanciais, dados que 
 coincidiam, fotos, denúncias e semelhanças, 
 porém não eram provas consideradas seguras 
 juridicamente. O DNA Mitocondrial foi 
 especialmente útil, sendo muito variável, 
 proporciona sequências únicas para cada 
 família e por meio do sequenciamento 
 propiciou para as avós a ferramenta que 
 permitiu até hoje a recuperação de mais de 
 100 netos e netas. 
 Doenças 
 -Doenças Mitocondriais em Humanos 
 A função da mitocôndria é particularmente 
 vulnerável às mutações no DNA mitocondrial, 
 uma vez que essa molécula de ácido 
 desoxirribonucleico é quase totalmente 
 composta por sequências codi�cantes e a 
 transcrição é contínua, podendo afetar 
 muitos produtos gênicos. Desse modo, 
 qualquer mutação pode interromper a 
 tradução de um produto gênico ou resultar em 
 proteínas mutantes envolvidas na 
 fosforilação oxidativa que, como dito, é uma 
 etapa metabólica importante da respiração 
 celular e produção de energia para célula 
 sobre a forma de ATP. 
 Pode haver muitas mitocôndrias por células e 
 a sequência do DNA pode ser a mesma em 
 todas elas ou variável. 
 ➢ Quando 100% do DNA mitocondrial de 
 uma célula tem sequência idêntica, 
 essa condição é denominada 
 homoplasmia , onde um zigoto recebe 
 um grande número de mitocôndrias do 
 ovócito, logo, se apenas um contém 
 uma mutação, o impacto é 
 severamente diluído, pois haverão 
 mais mitocôndrias que funcionarão 
 normalmente. 
 ➢ No desenvolvimento do zigoto, a 
 mitose dispersa a população inicial de 
 mitocôndrias, assim os adultos podem 
 exibir uma mistura de organelas 
 normais e anormais com mutações que 
 já estavam presentes na população 
 inicial de células ou até mesmo com 
 novas mutações. Esta mistura de DNA 
 Mitocondrial mutado e DNA 
 Mitocondrial normal é uma condição 
 denominada de heteroplasmia . 
 O que determina se a célula ou tecido serão 
 afetados é a proporção de mutantes e o limiar 
 de cada célula ou tecido. Geralmente são 
 necessários altos níveis de DNA Mitocondrial 
 mutado para que a célula apresente uma 
 de�ciência na sua função, entretanto, os 
 níveis necessários para que as células se 
 torne de�ciente, ou seja, o limiar de 
 mutações, depende do tipo de tecido e do tipo 
 de mutação. 
 Os tecidos que apresentam maior 
 requerimento energético como cérebro, 
 músculo esquelético e cardíaco apresentam 
 um limiar mais baixo quando comparados com 
 aqueles com menor requerimento energético, 
 como as células hematopoiéticas. 
 Padrão de Herança Mitocondrial 
 (parte 2) 
 Podemos veri�car pela análise do 
 heredograma que: 
 1. A doença é transmitida sempre por via 
 materna; 
 2. Nos descendentes, a expressão da 
 doença independe do sexo; 
 3. Na descendência de uma mulher 
 doente, os homens e mulheres são 
 doentes; 
 4. Um homem afetado tem descendência 
 saudável. 
 Outras características da doença Mitocondrial 
 que não são tão evidentes podem ser 
 observadas ao se realizar testes genéticos e 
 exames clínicos. Elas decorrem do percentual 
 diferente de moléculas de DNA Mitocondrial 
 que carreiam as mutações, devido a 
 propriedade de heteroplasmia, e também dos 
 tecidos onde as organelas com DNA mutante 
 estejam localizadas. 
 São elas: 
 5. Pode haver heterogeneidade na 
 expressão do caráter entre os 
 indivíduos afetados (devido a 
 heteroplasmia); 
 6. Os órgãos são afetados de forma 
 diversa em função do tecido 
 preponderante; 
 7. A penetrância e a expressividade são 
 variáveis. 
 Nota: O risco de transmissão por todas essas 
 características variáveis é imprevisível. 
 Critérios de Desordem 
 - Critérios que Caracterizam Desordem Mitocondrial 
 Para que uma doença seja diagnosticada como 
 sendo de origem mitocondrial ao menos três 
 critérios tem que ser observados: 
 ● A herança deve exibir um padrão 
 materno; 
 ● A desordem deve re�etir uma 
 de�ciência na função bioenergética da 
 organela; 
 ● Uma mutação genética especí�ca em 
 um gene mitocondrial deve ser 
 documentada. 
 Exemplos 
 Epilepsia Mioclonal e Miopatia com “Fibras 
 Vermelhas Rasgadas" 
 ● Esta patologia demonstra um padrão 
 consistente com a herança materna, 
 ou seja, apenas os �lhos de mães 
 afetadas herdam a desordem. 
 ● Indivíduos com esta desordem 
 expressam surdez, demência e 
 convulsões. 
 ● As �bras musculares são anormais em 
 aparência, assim como as 
 mitocôndrias, que também são em 
 número anormal, nesse caso, 
 aumentado. 
 Na imagem, observa-se as �bras musculares 
 coradas em azul; aquelas que têm menos 
 regiões vermelhas coradas ao redor, 
 apresentam bordas mais regulares; aquelas 
 que têm mais regiões vermelhas ao redor são 
 as com maior número de mitocôndrias 
 acumulado, essas mitocôndrias, além de estar 
 em número aumentado, também são anormais 
 internamente, como se fossem vazias, ou 
 seja, as cristas mitocondriais estão ausentes 
 e isso ocasiona de�ciência no funcionamento 
 da mitocôndria e também das �bras que vão 
 se tornando cada vez mais irregulares. 
 A intensa coloração em vermelho faz com que 
 essas �bras sejam denominadas de “�bras 
 rasgadas em vermelho”, o termo clássico e, 
 praticamente, sinônimo de acúmulo de 
 mitocôndrias. 
 Essa mutação foi identi�cada em um gene que 
 codi�ca para um RNA transportador 
 mitocondrial, interferindo com a tradução na 
 organela. 
 ● Em 80 a 90% dos casos, decorrem da 
 mutação de ponto, onde a base adenina 
 na posição 8344 do DNA mitocondrial, é 
 substituída por uma base guanina 
 (A8344G), alterando a codi�cação do 
 RNA transportador, responsável pelo 
 transporte do aminoácido lisina. 
 ○ Uma pequena porcentagem dos 
 casos albergam mutação 
 também do ponto por 
 substituição da base timina na 
 posição 8356 por citosina 
 (T8356C). 
 Nota: Ambas as mutações alteram a e�ciência da 
 mitocôndria, reduzindo-a. 
 Neuro Óptica Hereditária de Leber 
 ● Também estão presentes lesões 
 mitocondriais e a herança materna; 
 ● É caracterizada por cegueira bilateral 
 repentina, porém de acordo com o tipo 
 de mutação pode ser reversível, ou 
 seja, a visão pode ser recuperada; 
 ● A idade média em que ocorre a perda 
 de visão é aos 27 anos (20 a 30 anos), 
 noentanto, o limiar é bastante 
 variável, já tendo sido observada na 
 infância; 
 ● Quatro mutações alteram o 
 funcionamento da enzima NADH- 
 desidrogenase, importante no 
 processo de síntese de ATP; 
 ● Em alguns casos, não há histórico 
 familiar e os casos parecem resultar 
 de mutações novas; 
 ● Homens e mulheres podem ser 
 afetados, porém a proporção de 
 afetados por esta patologia, embora 
 ainda não se saiba o motivo, é de 4 
 indivíduos do sexo masculino para cada 
 indivíduo do sexo feminino (4:1); 
 ● A recuperação da visão é maior no 
 caso das mulheres do que no caso dos 
 homens afetados. 
 Síndrome de Kerns- Sayre 
 ● Os indivíduos afetados perdem a visão 
 e a audição, além de apresentarem 
 quadros cardíacos; 
 ● A base genética dessa desordem 
 envolve deleções em várias posições 
 do DNA mitocondrial; 
 ● Em muitos casos, as crianças são 
 normais, porém exibem sintomas 
 progressivos quando adultos; 
 ● O número de deleções está 
 diretamente associado à severidade 
 dos sintomas. 
 Principais Características do mtDNA 
 ➢ Não apresentam histonas; 
 ➢ Protegido por três membranas; 
 ➢ Maior taxa de mutação; 
 ➢ Código genético diferente; 
 ➢ Somente uma DNA polimerase; 
 ➢ Somente uma região de início de 
 replicação; 
 ➢ Mecanismos de reparo menos 
 e�cientes.