Cap 2 - Nussbaum

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Capítulo 2
 O Genoma Humano e a Base
Cromossômica da Hereditariedade
A avaliação da importância da genética para a medicina exige uma compreensão da natureza do
material hereditário, como ele é acondicionado no genoma humano e como ele é transmitido de uma
célula para a outra durante a divisão celular e de geração em geração durante a reprodução. O
genoma humano consiste em uma quantidade grande de ácido desoxirribonucléico (DNA) que contém
na sua estrutura a informação genética necessária para especificar todos os aspectos da
embriogênese, do desenvolvimento, do crescimento, do metabolismo e da reprodução —
essencialmente todos os aspectos que fazem do ser humano um organismo funcional. Cada célula
nucleada do corpo carrega sua própria cópia do genoma humano, que contém, de acordo com
estimativas atuais, cerca de 25.000 genes. Os genes, que neste momento definimos simplesmente
como unidades de informação genética, são codificados no DNA do genoma, organizados em várias
organelas em forma de bastão denominadas cromossomos no núcleo de cada célula. A influência dos
genes e da genética no estado de saúde e doença é profunda e suas raízes são encontradas nas
informações codificadas no DNA que compõe o genoma humano. Nosso conhecimento sobre a
natureza e identidade dos genes e a composição do genoma humano aumentou exponencialmente
durante as últimas várias décadas, culminando na determinação, praticamente, da seqüência de DNA
do genoma humano inteiro em 2003.
Cada espécie possui um complemento cromossômico característico (cariótipo) em relação ao
número e à morfologia dos cromossomos que compõem seu genoma. Os genes estão em ordem linear
ao longo dos cromossomos e cada gene possui uma posição precisa ou locus. O mapa gênico é o
mapa da localização cromossômica dos genes e é característico de cada espécie e individual dentro
da espécie.
O estudo dos cromossomos, da sua estrutura e da sua hereditariedade é denominado
citogenética. A ciência da citogenética humana moderna data de 1956, quando foi primeiramente
estabelecido que o número normal de cromossomos humanos é 46. Desde então, muito tem sido
estudado em relação aos cromossomos humanos, sua estrutura normal, sua composição molecular, a
localização dos genes que eles contêm e suas numerosas e variadas anormalidades.
A análise dos cromossomos e do genoma tornou-se um procedimento diagnóstico importante na
medicina clínica. Como descrito de forma mais completa em capítulos subseqüentes, algumas dessas
aplicações incluem as seguintes:
Diagnóstico Clínico Vários distúrbios médicos, incluindo alguns que são comuns, como a
síndrome de Down, estão associados a alterações microscópicas visíveis no número de
cromossomos ou na sua estrutura e requerem uma análise cromossômica ou genômica para
diagnóstico e consulta genética (Caps. 5 e Caps. 6).
Mapeamento Genético e Identificação A meta principal da genética médica, hoje em dia, é o
mapeamento de genes específicos dos cromossomos e o esclarecimento sobre seus papéis na saúde e
na doença. Esse assunto é apresentado repetidamente, mas é discutido mais detalhadamente no
Capítulo 10.
Citogenética do Câncer As alterações genômicas e cromossômicas em células somáticas estão
envolvidas no início e na progressão de muitos tipos de câncer (Cap. 16).
Diagnóstico Pré-natal A análise do genoma e dos cromossomos é um procedimento essencial
no diagnóstico pré-natal (Caps. 15).
A capacidade de interpretar uma descrição dos cromossomos e algum conhecimento da
metodologia, alcance e limitações dos estudos cromossômicos são habilidades essenciais para
clínicos e outros profissionais que atendem pacientes com defeitos congênitos, retardo mental,
distúrbios do desenvolvimento sexual e muitos tipos de câncer.
 O GENOMA HUMANO E SEUS CROMOSSOMOS
Com a exceção das células que desenvolvem os gametas (germinativas), todas as células do corpo
são chamadas de células somáticas (soma, corpo). O genoma contido no núcleo das células
somáticas humanas consiste em 46 cromossomos, arranjados em 23 pares (Fig. 2-1). Destes 23 pares,
22 são semelhantes em homens e mulheres e são denominados autossomos, numerados do maior para
o menor. O par restante compreende os cromossomos sexuais: dois cromossomos X nas mulheres, e
um cromossomo X e um cromossomo Y nos homens. Cada cromossomo carrega um subconjunto de
genes que são arranjados linearmente ao longo do DNA. Os membros de um par de cromossomos
(referidos como cromossomos homólogos ou homólogos) carregam informações genéticas
equivalentes; isto é, elas possuem os mesmos genes na mesma seqüência. Em qualquer locus
específico, no entanto, elas podem ter formas idênticas ou levemente diferentes do mesmo gene,
chamados de alelos. Um membro de cada par dos cromossomos é herdado do pai e o outro da mãe.
Normalmente, os membros de um par de autossomos são microscopicamente indistinguíveis um do
outro. Nas mulheres, os cromossomos sexuais, os dois cromossomos X, são igualmente
indistinguíveis. Nos homens, no entanto, os cromossomos sexuais são diferentes. Um deles é um
cromossomo X, idêntico ao X das mulheres, herdado por um homem a partir da sua mãe e transmitido
às filhas dele; o outro, o cromossomo Y, é herdado do seu pai e transmitido aos seus filhos. No
Capítulo 6, nós veremos algumas exceções à simples e quase universal regra de que as mulheres
humanas são XX e os homens são XY.
Figura 2-1 O genoma humano, codificado tanto nos cromossomos nucleares quanto nos
cromossomos mitocondriais.
(Modificado a partir de Brown TA; Genomes, 2nd ed. New York, Wiley-Liss, 2002.)
Além do genoma nuclear, uma pequena, mas importante, parte do genoma humano reside nas
mitocôndrias, no citoplasma (Fig. 2-1). O cromossomo mitocondrial, descrito posteriormente neste
capítulo, possui várias características incomuns que o diferencia do resto do genoma humano.
Estrutura do DNA: Uma Breve Revisão
Antes da organização do genoma humano e seus cromossomos serem considerados em detalhes, é
necessário revisar a natureza do DNA que compõe o genoma. O DNA é uma macromolécula de ácido
nucléico polimérica composta de três tipos de unidades: um açúcar com cinco carbonos, a
desoxirribose; uma base contendo nitrogênio; e um grupo fosfato (Fig. 2-2). As bases são de dois
tipos, purinas e pirimidinas. No DNA existem duas bases do tipo purinas, adenina (A) e guanina
(G), e duas pirimidinas, timina (T) e citosina (C). Os nucleotídeos, cada um composto de uma base,
um fosfato e uma fração açúcar, polimerizam-se em longas cadeias de polinucleotídeos por meio de
ligações 5’-3’ fosfodiéster formadas entre as unidades de desoxirribose adjacentes (Fig. 2-3). No
genoma humano, essas cadeias de polinucleotídeos (sob a forma de uma hélice dupla; Fig. 2-4) são
centenas de milhões de nucleotídeos, estendendo-se de aproximadamente 50 milhões de pares de
bases (para o menor cromossomo, cromossomo 21) a 250 milhões de pares de base (para o maior
cromossomo, cromossomo 1).
Figura 2-2 As quatro bases do DNA e a estrutura geral de um nucleotídeo no DNA. Cada uma
das quatro bases liga-se à desoxirribose (por meio do nitrogênio mostrado em destaque) e um grupo
fosfato para formar o nucleotídeo correspondente.
Figura 2-3 Uma porção das cadeias de polinucleotídeos do DNA, mostrando as ligações 3’-5’
fosfodiéster que ligam os nucleotídeos adjacentes.
A estrutura anatômica do DNA carrega a informação química que permite a transmissão exata
da informação genética de uma célula para suas células-filhas e de uma geração para a próxima. Ao
mesmo tempo, a estrutura primária do DNA especifica as seqüências de aminoácidos das cadeias de
polipeptídeos das proteínas, conforme descrito no próximo capítulo. O DNA possui características
especiais que originam essas propriedades. O estado natural do DNA, como descrito por James
Watson e Francis Crick, em 1953, é uma hélice dupla (Fig. 2-4). A estrutura helicoidal assemelha-se
a uma escadaria em espiral com giro para a direita, na qual suas duas cadeias de polinucleotídeos
seguem em direçõesopostas, mas ligadas por pontes de hidrogênio entre as pares de bases: A de uma
cadeia combinada com T da outra e G com C. A natureza específica das informações genéticas
codificadas no genoma humano encontra-se na seqüência de C’s, A’s, G’s e T’s dos seus dois
filamentos da hélice dupla ao longo de cada um dos cromossomos, tanto do núcleo como da
mitocôndria (Fig. 2-1). Devido à natureza complementar dos dois filamentos do DNA, o
conhecimento da seqüência de bases de nucleotídeos de uma das fitas automaticamente permite
determinar a seqüência de bases na outra fita. A estrutura em dupla-fita das moléculas de DNA
permite que elas se repliquem precisamente pela separação das duas fitas, seguida da síntese de dois
filamentos complementares novos, de acordo com a seqüência da fita molde original (Fig. 2-5). De
forma semelhante, quando necessário, a complementaridade das bases permite um reparo eficiente e
correto de danos às moléculas de DNA.
Figura 2-4 A estrutura do DNA. À esquerda, Uma representação bidimensional das duas fitas
complementares do DNA, mostrando os pares de bases AT e GC. Observe que a orientação das
duas fitas tem polaridade inversa. À direita, O modelo de dupla-hélice do DNA, como proposto
por Watson e Crick. Os “degraus” horizontais representam os pares de bases. Diz-se que a hélice é
“voltada para a direita” porque o filamento que segue da esquerda inferior para a direita superior
cruza sobre o filamento oposto.
(Baseado em Watson JD, Crick FHC: Molecular structure of nucleic acids — a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature
171:737-738, 1953.)
Figura 2-5 A replicação da hélice dupla do DNA, resultando em duas moléculas filhas
idênticas, cada uma é composta de uma fita dos pais (cinza) e uma nova fita sintetizada (azul).
Organização dos Cromossomos Humanos
A composição dos genes no genoma humano, bem como os determinantes da sua expressão, é
especificada no DNA dos 46 cromossomos humanos no núcleo juntamente com o cromossomo
mitocondrial. Cada cromossomo humano consiste em uma dupla hélice de DNA contínua e única;
isto é, cada cromossomo no núcleo é uma molécula de DNA de fita dupla linear e longa, e o genoma
nuclear consiste, além disso, em 46 moléculas de DNA, totalizando mais de 6 bilhões de
nucleotídeos (Fig. 2-1).
No entanto, os cromossomos não são dupla-hélices de DNA desprotegidas. Dentro de cada
célula, o genoma é armazenado como cromatina, na qual o DNA genômico está conjugado com
várias classes de proteína cromossômicas. Exceto durante a divisão celular, a cromatina está
distribuída por todo o núcleo e é relativamente homogênea em sua aparência microscópica. Quando a
célula se divide, no entanto, seu genoma condensa-se e aparece microscopicamente como
cromossomos visíveis. Os cromossomos estão, então, visíveis como estruturas discretas somente nas
células em divisão, embora eles mantenham a integridade entre as divisões celulares.
A molécula de DNA de um cromossomo existe na cromatina como um complexo com uma
família de proteínas cromossômicas básicas denominadas histonas e com um grupo heterogêneo de
proteínas não-histonas que são muito menos bem caracterizadas, mas que parecem ser críticas para o
estabelecimento de um ambiente adequado para assegurar o comportamento cromossômico normal e
a expressão apropriada do gene.
Cinco tipos principais de histonas desempenham um papel crítico no acondicionamento
adequado da cromatina. Duas cópias de cada uma das quatro histonas H2A, H2B, H3 e H4
constituem um octâmero, ao redor do qual um segmento da hélice dupla de DNA se enrola, como uma
linha ao redor do carretel (Fig. 2-6). Aproximadamente 140 pares de bases de DNA estão associados
a cada cerne de histona, formando quase duas voltas ao redor do octâmero. Após um curto (20 a 60
pares de bases) “espaçamento” no segmento de DNA, forma-se o próximo núcleo de complexo de
DNA, e assim por diante, fornecendo à cromatina a aparência de “colar de contas”. Cada complexo
de DNA com histonas centrais é chamado de nucleossomo, que é a unidade estrutural básica da
cromatina, e cada um dos 46 cromossomos humanos contém várias centenas de milhares até mais de
um milhão de nucleossomos. A quinta histona, H1, parece se ligar ao DNA na extremidade de cada
nucleossomo, na região de espaçamento internucleossômico. A quantidade de DNA associada ao
nucleossomo central, juntamente com a região de espaçamento, é de cerca de 200 pares de bases.
Figura 2-6 Níveis hierárquicos do acondicionamento da cromatina no cromossomo humano.
Além dos tipos principais de histonas, várias histonas especializadas podem substituir a H3 e
H2A e conferir características específicas ao DNA genômico naquela localização. As histonas H3 e
H4 podem também ser modificadas por alterações químicas para as proteínas codificadas. Essas
modificações, chamadas de pós-tradução (Caps. 3), podem alterar as propriedades dos
nucleossomos que as contém. O padrão dos principais e especializados tipos de histonas e suas
modificações são freqüentemente chamados de código histona, que pode variar de um tipo celular
para outro e acredita-se especificar como o DNA é acondicionado e quão acessível ele é para as
moléculas regulatórias que determinam a expressão do gene ou outras funções do genoma.
Durante o ciclo celular, como será abordado posteriormente neste capítulo, os cromossomos
passam direto por um estágio ordenado de condensação e descondensação. No entanto, quando os
cromossomos estão no seu estado mais descondensado, em um estágio do ciclo celular chamado de
intérfase, o DNA acondicionado na cromatina está substancialmente mais condensado do que estaria
como uma hélice dupla natural, livre de proteínas. Além disso, os longos cordões de nucleossomos
são, por si mesmos, compactados em uma estrutura de cromatina helicoidal secundária, que aparece à
microscopia eletrônica como uma fibra grossa de 30 nm de diâmetro (cerca de três vezes mais grossa
que a fibra nucleossômica; Fig. 2-6). Essa fibra “solenóide” cilíndrica (do grego solenoeides,
“forma de cilindro”) parece ser a unidade fundamental da organização da cromatina. Os solenóides
são, por sua vez, acondicionados em alças ou domínios fixados em intervalos de cerca de 100.000
pares de bases (100 paressão equivalentes a uma quilobase, ou 100 kb, sendo 1 kb = 1.000 pares de
bases) de uma proteína arcabouço (scaffold protein) ou matriz dentro do núcleo. Especulase que
essas alças sejam, de fato, unidades funcionais da replicação do DNA ou transcrição gênica, ou
ambas, e que os pontos de inserção de cada alça são fixados ao longo do DNA cromossômico. Então,
o primeiro nível de controle da expressão gênica pode depender de como o DNA e os genes são
acondicionados nos cromossomos e da sua associação às proteínas da cromatina no processo de
acondicionamento.
A quantidade enorme de DNA genômico armazenada em um cromossomo pode ser estimada
quando os cromossomos são estimulados a liberar o DNA da proteína arcabouço subjacente (Fig. 2-
7). Quando o DNA é liberado dessa maneira, alças longas de DNA podem ser visualizadas, e o
arcabouço residual pode servir para reproduzir a estrutura de um cromossomo típico.
Figura 2-7 Micrografia eletrônica de um cromossomo humano em metáfase com a depleção de
uma proteína humana, mostrando o arcabouço cromossômico residual e as alças de DNA. As fibras
individuais de DNA podem ser vistas nas extremidades das alças do DNA. Barra = 2 μm.
(De Paulson JR, Laemmli UK: The structure of histone-depleted methaphase chromossomes. Cell 12:817-828,1977.
Reproduzido com permissão dos autores e da Cell Press.)
O Cromossomo Mitocondrial
Como mencionado anteriormente, um pequeno, mas importante, subconjunto de genes codificados no
genoma humano reside no citoplasma, na mitocôndria (Fig. 2-1). Os genes mitocondriais exibem
hereditariedade exclusivamente materna (Caps. 7). As células humanas podem ter centenas a
milhares de mitocôndrias, cada uma contendo várias cópias de uma molécula circular pequena, o
cromossomo mitocondrial. A moléculade DNA mitocondrial possui somente 16 kb de comprimento
(menos que 0,03% do comprimento do menor cromossomo nuclear!) e codifica somente 37 genes. Os
produtos desses genes atuam na mitocôndria, embora a maioria das proteínas dentro desta, sejam, de
fato, produtos dos genes nucleares. As mutações nos genes mitocondriais têm sido demonstradas em
várias heranças maternas como doenças esporádicas (Caso 28) (Caps. 7 e Caps. 12).
Organização do Genoma Humano
Regiões do genoma com características ou organização, replicação e expressão semelhantes não são
arranjados aleatoriamente, mas tendem a ser alocadas juntas. Essa organização funcional do genoma
correlaciona-se notavelmente bem com sua organização estrutural, como revelado por métodos
laboratoriais de análise cromossômica (introduzida posteriormente neste capítulo e discutida em
detalhe no Capítulo 5). A significância geral dessa organização funcional é que esses cromossomos
não são uma coleção aleatória de tipos diferentes de genes e outras seqüências de DNA. Algumas
regiões cromossômicas, ou o conjunto de cromossomos, são grandes em conteúdo genético (“ricos
em genes”), enquanto outras são menores (“pobres em genes”) (Fig. 2-8). Certos tipos de seqüências
são características de aspectos estruturais diferentes de cromossomos humanos. As conseqüências
clínicas das anormalidades estruturais do genoma refletem a natureza específica dos genes e das
seqüências envolvidas. Dessa forma, as anormalidades dos cromossomos ou regiões cromossômicas
ricas em genes tendem a ser muito mais graves clinicamente do que os defeitos de dimensões
semelhantes que envolvem partes do genoma pobres em genes.
Figura 2-8 Tamanho e conteúdo genético de 24 cromossomos humanos. A, Tamanho de cada
cromossomo humano, em milhões de pares de bases (1 milhão de pares de bases = 1Mb). Os
cromossomos estão ordenados por tamanho da esquerda para a direita. B, O número de genes
identificados em cada cromossomo humano. Os cromossomos estão ordenados por conteúdo
genético da esquerda para a direita.
(Baseado em dados de www.ensembl.org, v36.)
Como resultado do conhecimento adquirido a partir do Projeto Genoma Humano, está claro que
a organização do DNA no genoma humano é muito mais variada do que se pensava. Dos 3 bilhões de
pares de bases do DNA no genoma, menos de 1,5%, na verdade, codifica proteínas e somente 5%
são considerados como contendo elementos regulatórios que influenciam ou determinam padrões de
expressão gênica durante o desenvolvimento ou em diferentes tecidos. Somente cerca da metade do
comprimento total linear do genoma consiste nas chamadas cópias únicas ou DNA único, isto é,
http://www.ensembl.org
DNA cuja seqüência de nucleotídeos é representada somente uma vez (ou no máximo umas poucas
vezes). O resto do genoma consiste em várias classes de DNA repetitivo e inclui o DNA cuja
seqüência de nucleotídeos é repetida, seja perfeitamente ou com alguma variação, centenas de
milhões de vezes no genoma. Enquanto a maioria dos 25.000 genes estimados no genoma é
representada em DNA de cópia única, as seqüências da fração de DNA repetitivo contribuem para
manter a estrutura do cromossomo e são uma fonte importante de variação entre indivíduos
diferentes; algumas dessas variações podem predispor a eventos patológicos no genoma, que serão
vistos no Capítulo 6.
Seqüências de DNA de Cópia Única
Embora o DNA de cópia única componha mais da metade do DNA no genoma, muito da sua função
ainda permanece um mistério porque, como mencionado, as seqüências que verdadeiramente
codificam proteínas (i. e., a porção codificadora dos genes) constituem somente uma pequena
proporção de todo o DNA de cópia única. A maioria do DNA de cópia única é encontrada em
extensões curtas (vários pares de quilobases ou menos), entremeadas com vários membros de
diversas famílias de DNA repetitivo. A organização dos genes em DNA de cópia única é descrita
mais profundamente no Capítulo 3.
Seqüências de DNA Repetitivo
Várias categorias diferentes de DNA repetitivo são reconhecidas. Uma característica útil de
distinção é se as seqüências repetidas (“repetições”) estão ou não agrupadas em um ou poucos
locais, ou se elas estão intercaladas, por todo o genoma, com seqüências de cópia única ao longo do
cromossomo. Seqüências repetidas agrupadas constituem 10% a 15% do genoma e consistem em
séries de várias repetições curtas organizadas aleatoriamente em um padrão “cabeça-para-cauda”.
Os tipos diferentes de tais repetições em tandem são coletivamente chamados de DNAs satélites, e
são assim denominados porque muitas famílias de repetições em tandem originais podem ser
separadas por métodos bioquímicos a partir do tamanho do genoma como frações (“satélites”)
diferentes do DNA.
As famílias de repetições em tandem variam em relação à sua localização no genoma, ao
comprimento total da série em tandem e ao comprimento das unidades repetidas que compõem a
série. Em geral, algumas séries podem se esticar por vários milhões de pares de bases ou mais e
constituir grande porcentagem do conteúdo de DNA de um cromossomo humano individual. Muitas
seqüências de repetições em tandem são importantes como ferramentas moleculares que
revolucionaram a análise citogenética clínica por causa da sua relativa facilidade de detecção (Caps.
5). Algumas repetições em tandem humanas são baseadas em repetições (com alguma variação) de
seqüências curtas como um pentanucleotídeo. Séries longas dessas repetições são encontradas em
grandes regiões geneticamente inertes nos cromossomos 1, 9 e 16 e compõem mais da metade do
cromossomo Y (Caps. 5). Outras famílias de repetições em tandem são baseadas em repetições mais
longas. Por exemplo, a família satélite α de DNA é composta de séries em tandem de cópias
diferentes de uma unidade de aproximadamente 171 pares de bases, encontradas no centrômero de
cada cromossomo humano, que é essencial para a fixação dos cromossomos aos microtúbulos do
aparelho do fuso durante a divisão celular. Acredita-se que essa família de repetições desempenha
um papel na função do centrômero por assegurar a separação correta do cromossomo na mitose e na
meiose, como descrito posteriormente neste capítulo.
Além do DNA de repetição em tandem, outra classe principal de DNA repetitivo no genoma
consiste em seqüências relacionadas que estão dispersas por todo o genoma em vez de estarem
localizadas. Embora muitas pequenas famílias de DNA satisfaçam essa descrição geral, duas em
particular receberão uma discussão mais detalhada porque juntas compõem uma proporção
significativa do genoma e porque foram implicadas em doenças genéticas. Entre os elementos
dispersos mais bem estudados estão aqueles pertencentes à chamada família Alu. Os membros dessa
família possuem cerca de 300 pares de bases em comprimento e são reconhecidamente relacionados
uns com os outros embora não possuam uma seqüência de DNA idêntica. No total, existem mais de
um milhão de membros da família Alu no genoma, compondo no mínimo 10% do DNA humano. Em
algumas regiões do genoma, no entanto, eles compõem um percentual muito maior do DNA. A
segunda principal família de DNA repetitivo mais dispersa é chamada de família do elemento
nuclear intercalado comprido (LINE, algumas vezes L1). Os LINEs possuem um comprimento de 6
Kb e são encontrados em cerca de 850.000 cópias do genoma, compondo cerca de 20% do genoma.
Eles também são abundantes em algumas regiões do genoma, mas relativamente escassos em outras.
DNA Repetitivo e Doenças As famílias de repetições dispersas por todo o genoma são
claramente de importância médica. Tanto as seqüências Alu como a LINE têm sido implicadas como
causa de mutações em doenças hereditárias. Pelo menos umas poucas cópias da família LINE e Alu
geram cópias de si mesmas que podem se integrar no genoma, ocasionalmente causando inativação
por inserção de genes importantes do ponto de vista médico. A freqüência de tais eventos causando
doenças genéticas em humanos é atualmente desconhecida, mas elas podem contribuir com até uma
em500 mutações. Além disso, eventos de recombinação aberrantes entre repetições LINE e Alu
diferentes podem também ser causa de mutação em algumas doenças genéticas (Caps. 9).
Uma classe adicional importante de DNA repetitivo inclui seqüências que são duplicadas,
muitas vezes com uma conservação de seqüências extraordinariamente alta, em localizações
diferentes pelo genoma. As duplicações envolvendo segmentos substanciais de um cromossomo,
chamadas de duplicações segmentadas, podem medir centenas de quilobases e corresponder a pelo
menos 5% do genoma. Quando as regiões duplicadas contêm genes, rearranjos genômicos
envolvendo as seqüências duplicadas podem resultar em deleção da região (e dos genes) entre as
cópias e então originar doenças (Caps. 6). Além disso, rearranjos entre segmentos do genoma são
uma fonte de variação significativa entre indivíduos no número de cópias dessas seqüências de
DNA, como discutido no Capítulo 9.
 DIVISÃO CELULAR
Existem dois tipos de divisão celular, a mitose e a meiose. A mitose regula a divisão das células
somáticas, que regulam o crescimento do corpo, a diferenciação e os efeitos de regeneração tecidual.
A divisão mitótica normalmente resulta em duas células-filhas, cada uma com cromossomos e genes
idênticos aos da célula-mãe. Pode haver dúzias ou mesmo centenas de mitoses sucessivas em uma
linhagem de células somáticas. Ao contrário, a meiose ocorre somente nas células da linhagem
germinativa. A meiose resulta na formação de células reprodutoras (gametas), e cada uma delas
possui somente 23 cromossomos — um de cada tipo de autossomo e outro X ou Y. Desta forma,
enquanto as células somáticas possuem um conteúdo diplóide (diploos, duplo) ou complemento
cromossômico 2n (i. e., 46 cromossomos), os gametas possuem conteúdo haplóide (haploos, único)
ou complemento n (i. e., 23 cromossomos). As anormalidades do número ou das estruturas dos
cromossomos, os quais possuem significância clínica, podem se originar tanto das células somáticas
quanto das células germinativas por erros na divisão celular.
O Ciclo Celular
O ser humano inicia sua vida como um ovócito fertilizado (zigoto), uma célula diplóide a partir da
qual as células do corpo (em um número estimado de cerca de 100 trilhões) são derivadas por séries
de dezenas e até centenas de mitoses. A mitose, obviamente, é crucial para o crescimento e a
diferenciação, mas ela constitui apenas uma parte do ciclo de vida de uma célula. O período entre
duas mitoses sucessivas é chamado de intérfase, estado no qual a célula passa a maior parte da vida.
Imediatamente após a mitose, a célula entra em uma fase chamada de G1, em que não existe
síntese de DNA (Fig. 2-9). Algumas células passam por esse estágio em horas; outras despendem um
tempo longo, dias ou anos, em G1. De fato, alguns tipos celulares, como os neurônios e as células
vermelhas sangüíneas, não se dividem uma vez que estão totalmente diferenciados; em vez disso, eles
permanecem aprisionados durante a fase G1 em uma fase diferente, não divisória, conhecida como G0
(“G zero”). Outras células, como as células hepáticas, podem entrar em G0 mas após uma lesão no
órgão, conseqüentemente retornam à G1 e continuam por todo o ciclo celular.
Figura 2-9 Um ciclo celular mitótico típico, descrito no texto. Os telômeros, o centrômero e as
cromátides irmãs estão indicados.
Embora os mecanismos moleculares que controlam a progressão do ciclo celular não estejam
completamente esclarecidos, o ciclo celular é governado por uma série de pontos de controle que
determinam o tempo despendido em cada etapa na mitose. Além disso, os pontos de controle
monitoram e controlam a precisão da síntese do DNA, bem como a montagem e fixação de uma rede
elaborada de microtúbulos que facilita o movimento do cromossomo. Se uma lesão no genoma é
detectada, esse ponto de controle mitótico interrompe a progressão do ciclo celular até que o reparo
seja realizado ou, se o dano for excessivo, até que a célula seja instruída a morrer por uma morte
celular programada (um processo chamado de apoptose).
Durante G1, cada célula contém uma cópia diplóide do genoma. G1 é seguida pela fase S, o
estágio de síntese do DNA. Durante esse estágio, cada cromossomo, que em G1 era uma molécula
única de DNA, replicase e se torna um cromossomo bipartido consistindo em duas cromátides irmãs
(Fig. 2-9), cada uma delas contém uma cópia idêntica da dupla-hélice do DNA linear original. As
extremidades de cada cromossomo (ou cromátides) são marcadas por telômeros, que consistem em
seqüências especializadas repetitivas de DNA que garantem a integridade do cromossomo durante a
divisão celular. A manutenção correta das extremidades dos cromossomos necessita de uma enzima
especial chamada de telomerase, que assegura que a síntese do DNA inclua as extremidades de cada
cromossomo. Na ausência da telomerase, as extremidades cromossômicas tornamse cada vez mais
curtas, conseqüentemente levando à morte celular. As duas cromátides irmãs estão unidas fisicamente
pelo centrômero, uma região do DNA que se associa a um número específico de proteínas para
formar o cinetócoro. Essa estrutura complexa serve para unir cada cromossomo aos microtúbulos do
fuso mitótico e governar o movimento dos cromossomos durante a mitose. A síntese do DNA durante
a fase S não é sincrônica em todos os cromossomos e nem em um cromossomo único; em vez disso,
inicia-se em centenas de milhares de locais, ao longo de cada cromossomo, originando a replicação
do DNA. Os segmentos de um cromossomo individual possuem um tempo característico de
replicação de 6 a 8 horas durante a fase S.
No final da fase S, o conteúdo de DNA da célula está duplicado e cada nova célula contém duas
cópias do genoma diplóide. Após a fase S, a célula entra em um estágio breve chamado de G2. Por
todo o ciclo celular, ácidos ribonucléicos e proteínas são produzidos e a célula gradualmente
aumenta conseqüentemente, há duplicação da sua massa total antes da próxima mitose. A fase G2 é
finalizada com a mitose, que se inicia quando os cromossomos individuais tornam-se condensados e
visíveis sob a microscopia como filamentos finos estendidos, um processo que é discutido
detalhadamente na seção seguinte.
As fases G1, S e G2 constituem juntas a intérfase. Em células humanas dividindo-se
normalmente, as três fases levam um total de 16 a 24 horas, enquanto a mitose dura apenas 1 ou 2
horas (Fig. 2-9). Existe uma grande variação, no entanto, na duração do ciclo celular, que se estende
de poucas horas em células que se dividem rapidamente, como aquelas da derme da pele ou mucosa
intestinal, até meses em outros tipos celulares.
Mitose
Durante a fase mitótica do ciclo celular, um aparelho elaborado é produzido para assegurar que cada
uma das duas células-filhas receba um conjunto completo de informações genéticas. Esse resultado é
alcançado por um mecanismo que distribui uma cromátide de cada cromossomo para cada célula-
filha (Fig. 2-10). O processo de distribuir uma cópia de cada cromossomo para cada célula-filha é
chamado de segregação cromossômica. A importância desse processo para o crescimento celular
normal é ilustrada pela observação de que muitos tumores são invariavelmente caracterizados por um
estado de desequilíbrio genético resultante de erros mitóticos na distribuição dos cromossomos para
as células-filhas.
Figura 2-10 Mitose. Somente dois pares de cromossomos são mostrados. Veja mais detalhes no
texto.
O processo de mitose é contínuo, mas cinco estágios são distinguidos: prófase, prometáfase,
metáfase, anáfase e telófase.
Prófase Esse estágio inicia a mitose e é caracterizado pela condensação gradual dos
cromossomos e o início da formação do fuso mitótico. Um par de centros de organização de
microtúbulos, também chamados de centrossomos, forma focos dos quais irradiam os microtúbulos.
Os centrossomos gradualmente se movimentam para tomar as posições nos pólos da célula.
Prometáfase A célula entra em prometáfase quando a membrana nuclear se rompe, permitindo
que os cromossomosse dispersem dentro da célula e se fixem, pelos seus cinetócoros, aos
microtúbulos do fuso mitótico. Os cromossomos então iniciam o movimento em direção ao ponto
médio entre os pólos do fuso, um processo chamado de congressão. Os cromossomos continuam a se
condensar por todo esse estágio.
Metáfase Na metáfase, os cromossomos atingem a condensação máxima. Eles se organizam no
plano equatorial da célula, equilibrado por forças iguais exercidas no cinetócoro de cada
cromossomo pelos microtúbulos, emanadas a partir dos dois pólos do fuso. Os cromossomos de uma
célula humana em divisão são mais facilmente analisados no estágio de metáfase ou prometáfase da
mitose (ver discussão posterior no Capítulo 5).
Anáfase A anáfase começa abruptamente quando os cromossomos se separam do centrômero.
As cromátides irmãs de cada cromossomo agora se tornam cromossomos-filhos independentes, que
se dirigem para os pólos opostos da célula (Fig. 2-10).
Telófase Na telófase, os cromossomos começam a se descondensar do seu estado altamente
contraído, uma membrana nuclear começa a se reformar ao redor de cada um dos núcleos-filhos, e
cada núcleo recupera gradualmente sua aparência da intérfase.
Para completar o processo da divisão celular, o citoplasma é clivado por um processo
conhecido como citocinese, que inicia à medida que os cromossomos se aproximam dos pólos do
fuso. Conseqüentemente existem duas células-filhas completas, cada uma com um núcleo contendo
toda a informação genética da célula original.
Existe uma diferença importante entre a célula que está entrando na mitose e uma que completou
o processo. Cada um dos cromossomos da célula-mãe em G2 possui um par de cromátides, mas os
cromossomos da célula-filha consistem, cada um, em somente uma cópia do material genético. Essa
cópia não será duplicada até que a célula-filha, por sua vez, atinja a fase S do próximo ciclo celular
(Fig. 2-9). O processo total da mitose, dessa forma, assegura a duplicação e distribuição ordenada
do genoma por sucessivas divisões celulares.
O Cariótipo Humano
Os cromossomos condensados de uma célula humana em divisão são mais facilmente analisados no
estágio da metáfase ou prometáfase. Nesses estágios, os cromossomos são visíveis ao microscópio
como uma dispersão cromossômica; cada cromossomo consiste em suas cromátides irmãs, apesar
de, na maioria das preparações cromossômicas, as duas cromátides estarem unidas tão firmemente
que raramente são visíveis como entidades separadas.
A maioria dos cromossomos pode ser distinguida não somente pelo seu tamanho, mas também
pela localização do seu centrômero. O centrômero é evidente como uma constrição primária, um
estreitamento das cromátides irmãs devido à formação do cinetócoro. Esse é um ponto de referência
citogenético reconhecido, que divide o cromossomo em dois braços, um braço mais curto designado
p (de petit) e um braço longo designado q. Todos os 24 tipos de cromossomos (22 autossomos, X e
Y) podem ser identificados individualmente por uma variedade de técnicas citogenéticas e
moleculares agora de uso comum.
A Figura 2-11 mostra uma célula em prometáfase, na qual os cromossomos foram corados pelo
método de bandeamento de Giemsa (G-banding ou bandeamento G), a técnica mais amplamente
empregada em laboratórios de citogenética clínica. Os cromossomos são primeiramente tratados com
tripsina para desnaturar as proteínas cromossômicas e, então, corados com Giemsa. Cada par de
cromossomos cora-se em um padrão característico de bandas claras e escuras alternadas (bandas G)
que se correlaciona de maneira imperfeita com características da seqüência do DNA subjacente, tais
como a composição básica (ou seja, a porcentagem de pares de bases que são GC ou AT) e a
distribuição dos elementos repetitivos do DNA. Com o bandeamento G e outras técnicas de
bandeamento, todos os cromossomos podem ser distinguidos individualmente. Além disso, a natureza
de quaisquer anormalidades estruturais ou numéricas poderá ser facilmente determinada, como nós
examinamos em detalhe nos Capítulos 5 e 6.
Figura 2-11 Uma dispersão cromossômica preparada a partir de uma cultura de linfócitos que
foi corada pela técnica de bandeamento de Giemsa (bandeamento G). O núcleo corado mais escuro
adjacente aos cromossomos é de uma célula diferente em intérfase, quando o material
cromossômico está difuso por todo o núcleo.
(Cortesia de Stuart Schwartz, University Hospitals of Cleveland, Ohio.)
Embora especialistas possam freqüentemente analisar os cromossomos em metáfase diretamente
ao microscópio, um procedimento comum é cortar os cromossomos a partir de fotomicrografias e
arranjá-los em pares em uma classificação padronizada (Fig. 2-12). O quadro completo é chamado
de cariótipo. A palavra cariótipo é utilizada também para referir-se a um conjunto de cromossomos
padronizados de um indivíduo (“um cariótipo masculino normal”) ou de uma espécie (“o cariótipo
humano”) e, como um verbo, para o processo de preparação de uma figura padronizada
(“cariotipar”).
Diferentemente dos cromossomos vistos em preparações coradas ao microscópio ou em
fotografias, os cromossomos de células vivas são estruturas fluidas e dinâmicas. Durante a mitose,
por exemplo, a cromatina de cada cromossomo em intérfase condensa-se substancialmente (Fig. 2-
12). Na prófase, quando os cromossomos tornam-se visíveis sob o microscópio óptico, o
cromossomo 1 (que contém cerca de 250 milhões de pares de base de DNA) está condensado a um
tamanho total de cerca de 50 μm. Quando está em máxima condensação na metáfase, o DNA
cromossômico é de cerca de 1/10.000 em relação ao seu estado totalmente estendido. Quando os
cromossomos são preparados para revelar as bandas (Figs. 2-11 e 2-12), até 1.000 ou mais bandas
podem ser reconhecidas nas preparações coradas de todos os cromossomos. Cada banda
citogenética, portanto, contém 50 ou mais genes, embora a densidade dos genes no genoma, como
mencionado anteriormente, seja variável. Após a metáfase, como as células completam a mitose, os
cromossomos se descondensam e retornam ao seu estado de relaxamento como cromatina no núcleo
interfásico, preparando-se para iniciar o ciclo novamente (Fig. 2-13).
Figura 2-12 Um cariótipo masculino humano com bandeamento de Giemsa (bandeamento G).
Os cromossomos estão no estágio de prometáfase da mitose e estão arranjados em uma
classificação padronizada, numerados de 1 a 22 em ordem de tamanho, com os cromossomos X e Y
mostrados separadamente.
(Cortesia de Stuart Schwartz, University Hospitals of Cleveland, Ohio.)
Figura 2-13 Ciclo de condensação e descondensação de como um cromossomo procede pelo
ciclo celular.
Meiose
A meiose, processo pelo qual células diplóides originam gametas haplóides, envolve um tipo de
divisão celular que é único para células germinativas. A meiose consiste em uma etapa de síntese de
DNA seguida por duas etapas de segregação cromossômica e divisão celular (Fig. 2-12). As células
da linhagem germinativa que sofrem meiose, espermatócitos primários ou oócitos primários, são
derivadas do zigoto por uma longa série de mitoses antes do início da meiose.
Gametas femininos e masculinos possuem histórias diferentes; embora a seqüência de eventos
seja a mesma, o tempo é muito diferente. Existem duas divisões meióticas sucessivas denominadas
meiose I e meiose II. A meiose I também é conhecida como divisão reducional porque ela é uma
divisão na qual o número de cromossomos é reduzido à metade por meio do pareamento dos
homólogos na prófase e pela sua segregação em células diferentes na anáfase da meiose I. Os
cromossomos X e Y não são homólogos em um sentido exato, mas possuem segmentos homólogos nas
terminações dos braços curtos e longos (Caps. 6), e eles se pareiam em ambas as regiões durante a
meiose I.
A meiose I é também notável por causa de seu estágio de recombinação genética (também
chamado de crossing over meiótico). Nesse processo, segmentos homólogos do DNA são trocados
entre as cromátides não-irmãs de um par de cromossomos homólogos, assegurando,então, que
nenhum dos gametas produzidos pela meiose seja idêntico ao outro. O conceito da recombinação é
fundamental para o processo de mapeamento dos genes responsáveis por distúrbios hereditários,
como discutiremos detalhadamente no Capítulo 10. Como a recombinação envolve o entrelaçamento
de dois homólogos em um determinado ponto durante a meiose I, ela é essencial também para
assegurar a segregação cromossômica característica durante a meiose. A falha em recombinar-se
corretamente leva a segregação errada durante a meiose I e é uma causa freqüente de anormalidades
cromossômicas, como a síndrome de Down (Caps. 5 e Caps. 6).
A meiose II segue à meiose I sem uma etapa intercalada de replicação do DNA. Como na mitose
habitual, as cromátides separam-se e uma cromátide de cada cromossomo passa para cada célula-
filha (Fig. 2-14).
Figura 2-14 Uma representação simplificada de uma etapa essencial na meiose, consistindo em
uma rodada de replicação de DNA seguida de duas rodadas de segregação cromossômica, meiose I
e meiose II.
A Primeira Divisão Meiótica (Meiose I)
Prófase I A prófase da meiose I é um processo complicado que difere da prófase mitótica de várias
formas, com conseqüências genéticas importantes. Vários estágios estão definidos. Ao longo de
todos os estágios, os cromossomos se condensam continuamente e se tornam mais curtos e espessos
(Fig. 2-15).
Figura 2-15 A meiose e suas conseqüências. Um par de cromátides únicas e um crossing over
único são mostrados, levando à formação de quatro gametas diferentes. Os cromossomos replicam-
se durante a interfase e começam a se condensar, e entram na prófase da meiose I. Na meiose I, os
cromossomos fazem sinapse e recombinam-se. Os quiasmas são visíveis como homólogos alinhados
na metáfase I, com os centrômeros orientados em direção aos pólos opostos. Na anáfase I, a troca
de DNA entre os homólogos é aparente, pois os cromossomos estão tracionados para pólos opostos.
Após completar a meiose I e a citocinese, a meiose II inicia com uma divisão semelhante à da
mitose. Os cinetócoros irmãos separam-se e movimentam-se para pólos opostos na anáfase II,
revelando quatro produtos haplóides.
Leptóteno Os cromossomos, que já se replicaram durante a fase S precedente, tornam-se
visíveis como filamentos delgados que estão começando a se condensar. Nesse estágio inicial, as
duas cromátides irmãs de cada cromossomo estão estreitamente alinhadas de forma que elas não
podem ser distinguidas.
Zigóteno Nesse estágio, os cromossomos homólogos começam a se alinhar ao longo de toda sua
extensão. O processo de pareamento ou sinapse é normalmente preciso, colocando as seqüências de
DNA correspondentes em alinhamento ao longo da extensão do cromossomo inteiro.
Embora a base molecular da sinapse não seja completamente conhecida, a microscopia
eletrônica revela que os cromossomos são unidos por um complexo sinaptonêmico, uma estrutura
que contém uma proteína semelhante a uma fita (Fig. 2-16). O complexo sinaptonêmico é essencial
para o processo de recombinação.
Figura 2-16 Micrografia eletrônica de um espermatócito humano primário em meiose,
mostrando os 22 complexos sinaptonêmicos autossômicos e o par XY (seta). O DNA de cada
bivalente não é visível, mas estende-se lateralmente de cada lado do complexo sinaptonêmico.
(Cortesia de A. C. Chandley Western General Hospital, Edimburgo, Escócia.)
Paquíteno Durante esse estágio, os cromossomos tornam-se muito mais estreitamente
espiralados. A sinapse está completa, e cada par de homólogos aparece como um bivalente (algumas
vezes chamada de tétrade porque contém quatro cromátides). O paquíteno é o estágio no qual o
crossing over meiótico acontece (Fig. 2-15).
Diplóteno Após a recombinação, o complexo sinaptonêmico é desmontado, e dois componentes
de cada bivalente agora se separam um do outro. Conseqüentemente, os dois homólogos de cada
bivalente mantêm-se unidos somente por pontos chamados de quiasmas (cruzes), que, acredita-se,
marcam os locais de crossings. O número médio de quiasmas vistos nos espermatócitos humanos é
de cerca de 50, isto é, vários por bivalente.
Diacinese Nesse estágio, os cromossomos atingem a condensação máxima.
Metáfase I A metáfase I inicia-se, assim como na mitose, quando a membrana nuclear
desaparece. Um fuso se forma e os cromossomos pareados se alinham no plano equatorial com seus
centrômeros orientados em direção aos pólos diferentes.
Anáfase I Os dois membros de cada bivalente se separam e seus respectivos centrômeros com
as cromátides irmãs fixadas são puxadas para os pólos opostos da célula, um processo chamado de
disjunção (Fig. 2-15). Assim, o número de cromossomos é dividido em partes iguais e cada produto
celular da meiose I possui um número haplóide de cromossomos. Os bivalentes diferentes agrupam-
se independentemente um do outro, e, dessa forma, os conjuntos originais de cromossomos paterno e
materno são separados em combinações aleatórias. O número possível de combinações dos 23 pares
de cromossomos que pode estar presente nos gametas é de 223 (mais de 8 milhões). De fato, a
variação no material genético que é transmitida de pais para filho é, verdadeiramente, muito maior
que isto por causa do processo de crossing over. Como resultado desse processo, cada cromátide
caracteristicamente contém segmentos derivados de cada um dos membros do par de cromossomos
genitores; por exemplo, até esse estágio, 1 cromossomo típico é composto de três a cinco segmentos,
de origem paterna e materna alternadamente. (Ver discussão adicional no Capítulo 10.)
Muitos erros podem ocorrer na divisão celular. Alguns resultam em interrupção meiótica e
morte da célula, enquanto outros levam à segregação errada dos cromossomos na anáfase. Por
exemplo, ambos os homólogos de um par de cromossomos movimentam-se para o mesmo pólo, em
vez do pólo oposto, durante a anáfase I. Esse processo patogênico é denominado nãodisjunção.
Algumas das conseqüências das irregularidades meióticas são discutidas nos Capítulos 5 e 6.
Telófase I Na telófase, dois conjuntos de cromossomos haplóides estão normalmente agrupados
nos pólos opostos das células.
Citocinese
Após a telófase I, a célula divide-se em duas células-filhas haplóides e entra em intérfase meiótica.
Na espermatogênese, o citoplasma é mais ou menos igual entre as duas células-filhas (Fig. 2-17);
mas na ovocitogênese, um produto (o ovócito secundário) recebe quase todo o citoplasma, e o
produto recíproco tornase o primeiro glóbulo polar (Fig. 2-18). Ao contrário da mitose, a intérfase é
breve e a meiose II se inicia. O ponto notável que distingue a intérfase meiótica da mitótica é que não
existe fase S (i. e., não há síntese de DNA) entre a primeira e a segunda divisão meiótica.
Figura 2-17 Espermatogênese humana em relação a duas divisões meióticas. A seqüência de
eventos se inicia na puberdade e leva cerca de 64 dias para ser completada. O número de
cromossomos (46 ou 23) e a constituição dos cromos-somos sexuais (X ou Y) de cada célula é
mostrada.
(Modificado a partir de Moore KL, Persaud TVN: The Developing Human: Clinically Oriented Embriology, 6th ed.
Philadelphia, WB Saunders, 1998.)
Figura 2-18 Ovocitogênese humana e fertilização em relação a duas divisões meióticas. Os
ovócitos primários são formados pré-natalmente e permanecem em suspensão na prófase da meiose
I por anos até o início da puberdade. Um ovócito completa a meiose I com os folículos maduros,
resultando em um ovócito secundário e o primeiro glóbulo polar. Após a ovulação, cada ovócito
continua para a metáfase da meiose II. A meiose II é completada somente se a fertilização ocorrer,
resultando em um óvulo fertilizado maduro e o segundo glóbulo polar.
A Segunda Divisão Meiótica (Meiose II)
A segunda divisão meiótica é semelhante à mitose normal, exceto que o número de cromossomos da
célula que entra em meiose II é haplóide. O resultado final é que as duas células-filhas resultantes da
meiose I dividem-se para formar quatro células haplóides, cada uma contendo 23 cromossomos(Fig.
2-15). Como mencionado anteriormente, por causa do crossing over da meiose I, os cromossomos
dos gametas resultantes não são idênticos. Assim como cada cromossomo materno e paterno em um
par homólogo separa-se aleatoriamente em células-filhas na meiose I, a segregação de alelos
paternos e maternos diferentes de cada gene também ocorre durante a meiose. No entanto, se os
alelos se segregam durante a primeira ou a segunda divisão meiótica (ver Quadro) depende se eles
estavam envolvidos no evento de cross over na meiose I.
 GAMETOGÊNESE HUMANA E FERTILIZAÇÃO
As células germinativas primordiais humanas são reconhecíveis na quarta semana de
desenvolvimento fora do embrião propriamente, no endoderma do saco vitelino. Daí, elas migram
durante a sexta semana para as cristas genitais e se associam às células somáticas para formar as
gônadas primitivas, que logo se diferenciam em testículos ou ovários, dependendo da constituição
cromossômica (XY ou XX), como examinaremos com mais detalhes no Capítulo 6. Tanto a
espermatogênese como a ovocitogênese exigem a meiose, mas possuem diferenças importantes nos
detalhes e no tempo despendido, o que pode ter conseqüências clínicas e genéticas para a progênie.
A meiose feminina é iniciada antes, durante a vida fetal, em um número limitado de células. Ao
contrário, a meiose masculina é iniciada continuamente em muitas células a partir da população
celular em divisão por toda a vida adulta do homem.
 Conseqüências Genéticas da Meiose
• Redução do número de cromossomos de diplóide para haplóide, a etapa essencial na formação dos
gametas.
• Segregação dos alelos, tanto na meiose I como na meiose II, de acordo com a Primeira Lei de
Mendel.
• Embaralhamento do material genético por separação aleatória dos homólogos, de acordo com a
Segunda Lei de Mendel.
• Embaralhamento adicional do material genético pelo crossing over, que não só está envolvido
como um mecanismo para aumentar substancialmente a variação genética, mas é, além disso,
essencial para assegurar a disjunção normal dos cromossomos.
É difícil estudar a meiose humana diretamente. No sexo feminino estágios sucessivos da meiose
ocorrem no ovário fetal, no ovócito perto do período de ovulação e após a fertilização. Embora os
estágios pós-fertiliza-ção possam ser estudados in vitro, o acesso aos estágios iniciais é limitado. O
material testicular para o estudo da meiose masculina é de obtenção menos difícil, pois uma biópsia
testicular é incluída na avaliação de muitos homens que procuram atendimento em clínicas de
infertilidade. Há muito o que ser aprendido em relação a citogenética, bioquímica e mecanismo
moleculares envolvidos na meiose normal e em relação às causas e conseqüências das
irregularidades meióticas.
Espermatogênese
Os estágios da espermatogênese são mostrados na Figura 2-17. Os espermatozóides são formados
nos túbulos seminíferos dos testículos após a maturação sexual ser atingida. Os túbulos são
revestidos com espermatogônias, que estão em diferentes estágios de diferenciação. Essas células
desenvolvem-se a partir das células germinativas primordiais por uma longa série de mitoses. O
último tipo celular na seqüência do desenvolvimento é o espermatócito primário, que sofre meiose I
para formar dois espermatócitos secundários haplóides. Os espermatócitos secundários
rapidamente sofrem meiose II, cada um formando duas espermátides, que se diferenciam sem uma
outra divisão nos espermatozóides. Em humanos, o processo total ocorre em 64 dias. O enorme
número de espermatozóides produzidos (geralmente cerca de 200 milhões por ejaculação, e há uma
estimativa de 1012 durante toda a vida) exige várias centenas de mitoses.
Ovocitogênese
Ao contrário da espermatogênese, que é iniciada na puberdade e continua por toda a vida adulta, a
ovocitogênese inicia-se durante o desenvolvimento pré-natal (Fig. 2-18). Os ovócitos se
desenvolvem a partir das ovogônias, células no córtex ovariano que descendem das células
germinativas primordiais por uma série de cerca de 20 mitoses. Cada ovogônia é uma célula central
em um folículo em desenvolvimento. Por volta do terceiro mês de desenvolvimento pré-natal, as
ovogônias do embrião começam a se transformar em ovócitos primários, dos quais alguns entram na
prófase da meiose I. O processo de ovocitogênese não é sincronizado, e tanto o estágio inicial como
estágios posteriores coexistem no ovário fetal. Existem vários milhões de ovócitos ao nascimento,
mas a maioria deles se degenera e somente cerca de 400, por fim, amadurecem e ovulam. Os
ovócitos primários completam toda a prófase I até o momento do nascimento, e aqueles que não se
degeneram permanecem nesse estágio por anos, até a ovulação como parte do ciclo menstrual da
mulher.
Depois que a mulher atingiu a maturidade sexual, os folículos individuais começam a crescer e
amadurecem, e poucos (em média um por mês) são ovulados. Agora antes da ovulação, o ovócito
rapidamente completa a meiose I, dividindo-se de forma que uma célula tornase o ovócito secundário
(um ovo ou um óvulo), contendo a maioria do citoplasma com suas organelas, e o outro se torna o
primeiro glóbulo polar (Fig. 2-18). A meiose II começa prontamente e prossegue para o estágio de
metáfase durante a ovulação, onde ela pára, e é somente completada se a fertilização ocorrer.
Fertilização
A fertilização do ovócito geralmente ocorre nas tubas de Falópio dentro de mais ou menos um dia de
ovulação. Embora múltiplos espermatozóides possam estar presentes, a penetração de um único
espermatozóide no ovócito desencadeia uma série de eventos bioquímicos que ajudam a impedir a
entrada de outro espermatozóide.
A fertilização é seguida pela conclusão da meiose II, com a formação de um segundo glóbulo
polar (Fig. 2-18). Os cromossomos do ovócito fertilizado e do espermatozóide tornam-se
pronúcleos, cada um circundado por uma membrana nuclear. Os cromossomos do zigoto diplóide
replicam-se logo após a fertilização, e o zigoto divide-se por mitose para formar duas célulasfilhas
diplóides. Essa mitose é a primeira de uma série de divisões por clivagem que inicia o processo do
desenvolvimento embrionário (Caps. 14).
Embora o desenvolvimento se inicie com a formação do zigoto (concepção), na medicina
clínica, o estágio e a duração da gravidez são geralmente medidos como a “idade menstrual”,
datando-se a partir do início do último período menstrual da mãe, cerca de 14 dias antes da
concepção.
 RELEVÂNCIA MÉDICA DA MITOSE E DA
MEIOSE
O significado biológico da mitose e da meiose encontra-se na garantia da constância do número de
cromossomos — e assim a integridade do genoma — a partir de uma célula para sua progênie e de
uma geração para a próxima. A relevância médica desses processos encontra-se nos erros de um ou
outro mecanismo de divisão celular, levando à formação de um indivíduo ou de uma linhagem celular
com um número anormal de cromossomos e, dessa forma, uma quantidade anormal de material
genômico.
Assim como descrito no Capítulo 5, a não-disjunção meiótica, particularmente na
ovocitogênese, é o mecanismo de mutação mais comum na nossa espécie, responsável por fetos
cromossomicamente anormais em pelo menos uma grande porcentagem de todas as gravidezes
reconhecidas. Entre as gravidezes que sobreviveram, as anormalidades cromossômicas são a
principal causa de defeitos do desenvolvimento, problemas em superar o período de recém-nascido e
retardo mental.
A não-disjunção mitótica também contribui para doenças genéticas. A não-disjunção logo após
a fertilização, seja no embrião em desenvolvimento ou nos tecidos extra-embrionários como a
placenta, leva ao mosaicismo cromossômico que pode estar subjacente a alguns problemas médicos,
tais como pacientes com síndrome de Down. Ainda, a segregação cromossômica anormal em tecidos
que se dividem rapidamente, tais como as células do cólon, é freqüentemente uma etapa do
desenvolvimento de tumores cromossomicamente anormais; portanto, a avaliação cromossômica e do
equilíbrio genômico é um exame diagnósticoe prognóstico importante em muitos cânceres.
 REFERÊNCIAS GERAIS
Brown TA. Genomes, 3rd ed, New York: Garland, 2007.
Miller OJ, Therman E. Human Chromosomes, 4th ed, New York: Springer-Verlag, 2001.
Moore KL, Persaud TVN. Developing Human: Clinically Oriented Embryology, 7th ed, Philadelphia:
WB Saunders, 2003.
 REFERÊNCIAS PARA TÓPICOS ESPECÍFICOS
Deininger PL, Batzer MA. Alu repeats and human disease. Mol Genet Metab. 1999;67:183-193.
International Human Genome Sequencing Consortium. Initial sequencing and analysis of the human
genome. Nature. 2001;409:860-921.
International Human Genome Sequencing Consortium. Finishing the euchromatic sequence of the human
genome. Nature. 2004;431:931-945.
Kazazian HH, Moran JV. The impact of L1 retrotransposons on the human genome. Nat Genet.
1998;19:19-24.
Trask BJ. Human cytogenetics: 46 chromosomes, 46 years and counting. Nat Rev Genet. 2002;3:769-
778.
Venter JC, Adams MD, Myers EW, et al. The sequence of the human genome. Science. 2001;291:1304-
1351.
 WEBSITES ÚTEIS
Human Genoma Resources: Uma compilação de websites úteis para o estudo de genes, genomas e
fármacos. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/guide/human/
Universidade da Califórnia, Santa Cruz: Bioinformática em Genoma. http://genome.ucsc.edu/
Ensembl genome browser: European Bioinformatics Institute/ Wellcome Trust Sanger Institute,
Hinxton, Cambridge, United Kingdom. http://www.ensembl.org/Homo-sapiens/index.html
 PROBLEMAS
1. Em um determinado locus, uma pessoa possui dois alelos A e a:
(a) Quais são os genótipos dos gametas dessa pessoa?
(b) Quando A e α se separam (i) se não há crossing over entre o locus e o centrômero do cromossomo? (ii) se há um único crossing
over entre o locus e o centrômero?
1. (a) A e a. (b) i. Na meiose I. ii. Na meiose II.
2. Qual é a principal causa de anormalidades cromossômicas numéricas em humanos?
2. Não-disjunção meiótica.
3. Desconsiderando o crossing over, o que aumenta a quantidade de variabilidade genética, estime a
probabilidade de que todos os seus cromossomos tenham vindo para você a partir da sua avó paterna
e da sua avó materna. Você seria homem ou mulher?
3. (1/2)23 × (1/2)23; você seria do sexo feminino.
4. Um cromossomo que entra em meiose é composto de duas cromátides, cada uma delas é uma
molécula única de DNA.
(a) Na nossa espécie, até o final da meiose I, quantos cromossomos existem por célula? Quantas cromátides?
(b) Até o final da meiose II, quantos cromossomos existem por célula? Quantas cromátides?
(c) Quando o número de cromossomos diplóide é restabelecido? Quando a estrutura das duas cromátides de um cromossomo em uma
metáfase típica é restaurada?
4. (a) 23; 46. (b) 23; 23. (c) Na fertilização; na fase S do próximo ciclo celular.
5. A partir da Figura 2-8, estime o número de genes por milhões de pares de base nos cromossomos
1, 13, 18, 19, 21 e 22. Pode se esperar que uma anormalidade cromossômica de tamanho igual no
cromossomo 18 ou 19 seja de grande impacto clínico? E nos cromossomos 21 ou 22?
5. Cromossomo 1, ∼9 genes/Mb; cromossomo 13, ∼3-4 genes/Mb; cromossomo 18, ∼4 genes/Mb;
cromossomo 19, ∼19 genes/Mb; cromossomo 21, ∼5 genes/ Mb; cromossomo 22, ∼10 genes/Mb.
Pela maior densidade gênica, seria de se esperar que anomalias no cromossomo 19 tivessem maior
impacto fenotípico do que anomalias no cromossomo 18. Da mesma forma, espera-se que defeitos no
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/guide/human/
http://genome.ucsc.edu/
http://www.ensembl.org/Homo-sapiens/index.html
cromossomo 22 sejam mais deletérios do que os do cromossomo 21.