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Genética Cromossomos: alguns conceitos e analogias Cada cromossomo ➔formado por uma única molécula de DNA extremamente longa, que contém uma série de genes. O genoma humano contém 23 pares de cromossomos, ou seja, 46 moléculas de DNA, sendo 44 diferentes autossomos e 2 diferentes cromossomos sexuais. O cromossomo sexual, especialmente o Y, contém genes cruciais para determinar o sexo. O cromossomo X possui uma região que é similar ao Y, chamada de região pseudoautosomal, onde ocorre emparelhamento e recombinação durante a meiose. Isso é importante para a herança e determinação do sexo. Conceitos Cromossos homólogos: Os pares de autossomos são chamados de cromossomos homólogos porque cada par contém versões semelhantes dos genes, um de origem materna e outro de origem paterna. Eles compartilham os mesmos locais gênicos ao longo de sua extensão. Homologo: formas iguais, mesmo tamanho, mesmos genes. Exemplo: O gene da lactase, responsável pela quebra da lactose, está presente em indivíduos, mas as variações nos pares de bases ao nível molecular criam diferentes formas do gene, conhecidas como alelos. Essas variações podem influenciar a capacidade de um indivíduo de digerir a lactose, resultando em intolerância à lactose em alguns casos. Os cromossomos homólogos estão presentes apenas em células somáticas de organismos diploides. Isso significa que em células somáticas, onde há dois conjuntos de cromossomos (um proveniente do pai e outro da mãe), os cromossomos homólogos estão presentes em pares, representando as versões maternas e paternas dos cromossomos. Em células sexuais haploides, como espermatozoides e óvulos, os cromossomos homólogos não estão presentes, já que contêm apenas um conjunto de cromossomos. 2 números - 2n23 = 46 Células gaméticas passam por meiose, não por mitose. Durante a meiose, o material genético é reduzido pela metade, resultando em células haploides que contêm apenas um conjunto de cromossomos. Isso é essencial para garantir que, após a fertilização, o número diploide de cromossomos seja restaurado na célula resultante, formando um organismo diploide. Organização Genética Imagine que cada célula do nosso corpo é como uma biblioteca, e cada biblioteca contém trilhões de livros. Cada livro representa um par de cromossomos, e como somos organismos diploides, temos 23 pares de livros duplicados, totalizando 46 livros (ou cromossomos) em cada biblioteca. Dentro de cada livro (ou cromossomo), existem capítulos que representam os genes. Esses genes são como as instruções que dizem à célula como funcionar e quais características expressar. Por fim, as palavras dentro de cada capítulo são como os nucleotídeos, as unidades básicas do código genético. Cada palavra (ou nucleotídeo) compõe as instruções genéticas contidas em cada gene. Então, na nossa "primeira biblioteca", teríamos: • 23 livros (ou cromossomos) da mãe, representando os cromossomos herdados dela. • 23 livros (ou cromossomos) do pai, representando os cromossomos herdados dele. Esses 46 livros (ou cromossomos) formariam a nossa biblioteca inicial, ou seja, o conjunto completo de material genético que recebemos dos nossos pais no momento da concepção. Essa biblioteca inicial é a base para a construção do nosso organismo. Cromossomos e ciclo celular A estrutura do núcleo é dinâmica. Os cromossomos de uma célula alteram a sua estrutura e as suas atividades de acordo com o estágio do ciclo de divisão celular. Tudo abaixo é material genético, mas estão em formatos diferentes Ciclo celular Série de processos que uma célula precisa efetuar para conseguir se dividir. A grande maioria das células além de duplicar seus cromossomos para que ocorra a divisão de material genético, também duplica seu volume e suas organelas citoplasmáticas em cada ciclo celular. O ciclo celular é o processo pelo qual uma célula passa para crescer e se dividir em duas células filhas. Ele é dividido em duas principais fases: interfase e mitose (ou meiose em células sexuais). Durante a interfase, a célula cresce, duplica seus componentes e se prepara para a divisão. É composta por três etapas: G1 (crescimento celular), S (síntese de DNA, onde o DNA é replicado) e G2 (preparação para a divisão). A mitose (ou meiose) é a fase de divisão celular, que consiste em prófase (condensação do DNA), metáfase (alinhamento dos cromossomos), anáfase (separação dos cromossomos), e telófase (formação de duas novas células). O ciclo celular é crucial para o crescimento, reparação e renovação dos tecidos no organismo. Anotações: - Interfase é o estágio mais longo do ciclo celular, representando cerca de 23 horas em um relógio, durante o qual as células vivem e realizam suas funções normais. A divisão celular entra em cena para organizar e replicar o material genético, preparando a célula para a divisão propriamente dita. Interfase: cromatina visualizada como uma massa única e difusa (material descondensado). Divisão celular: a cromatina está altamente compactada, constituindo os cromossomos Cromatina e os cromossomos representam dois aspectos morfológicos e fisiológicos da mesma estrutura. Na interfase, o DNA está menos condensado e a célula realiza suas funções normais, como replicação e expressão gênica. Na mitose, o DNA é altamente condensado em cromossomos visíveis ao microscópio e é distribuído de maneira equitativa entre as células filhas. Interfase os cromossomos estão menos condensados e muito ativos, havendo a produção de proteínas para a célula através de um fluxo de informação genética partindo do DNA. A Mitose ou Fase M, é a fase onde os cromossomos estão altamente condensados e inativos, prontos para a divisão da célula. Auge da condensação: apenas divide - por isso é altamente compactado. Mitose x meiose Meiose nos gametas é um processo reducional: duplica o material genético e, em seguida, divide em quatro células com metade da carga genética, essenciais para a formação de vida ao unir duas células contendo 23 cromossomos. Na mitose, ocorre a divisão celular em células somáticas, responsáveis por manter o corpo. Essa divisão resulta em células que são exatamente iguais à célula mãe, preservando assim a identidade genética e funcional do organismo. Fase M: Divisão celular Importância: Meiose Produz células com metade do material genético (células gaméticas) O cromossomo em formato de "X" é uma estrutura duplicada, composta por duas cromátides, cada uma contendo uma dupla fita de DNA. Na meiose, além do crossover que promove a troca de material genético entre cromossomos homólogos, podemos receber cromossomos de origem materna ou paterna, aumentando ainda mais a variabilidade genética. Mitose: Importância: Produz células 2 filhas idênticas a célula mãe. Meiose é responsável pela formação de indivíduos, enquanto a mitose é responsável pela manutenção dos tecidos Sucessivas mitoses mantem o número cromossômico da espécie constante em todas as células e garantem o crescimento desses indivíduos e também a regeneração dos tecidos Na fase S, ou fase de síntese, ocorre a produção vital de material genético, pois é nessa etapa que ocorre a duplicação do DNA. Cromossomo duplicado: após a fase S, cada cromossomo está duplicado, ou seja, consiste em duas cromátides irmãs unidas pelo centrômero. Na fase S do ciclo celular, ocorre a replicação do DNA sempre que a célula recebe estímulo para se dividir. Antes da divisão celular, a célula passa por um processo de replicação do DNA para garantir que cada célula filha receba uma cópia completa do material genético. Essa replicação ocorre durante a fase S do ciclo celular. Replicação A replicação (duplicação) é o processo de auto-duplicação do material genético mantendo assim o padrão de herança ao longo das gerações A replicaçãodo DNA é semiconservativa: Cada fita na dupla hélice atua como modelo para a síntese de uma nova fita complementar. Complementaridade das fitas de DNA: A característica marcante da molécula de DNA é ser composta por 2 fitas complementares. Na replicação, cada fita do DNA serve como molde para as fitas filhas. Sentido da replicação: Na replicação do DNA, as duas fitas de DNA se separam e cada uma serve de molde para a síntese de uma nova fita complementar. A síntese ocorre na direção 5'→3', com a adição de nucleotídeos à extremidade 3’-OH da fita em crescimento, no carbono 3 do açúcar de cada novo nucleotídeo. É importante destacar que o DNA é antiparalelo, ou seja, as fitas correm em direções opostas, então a síntese ocorre na linha oposta ao sentido de leitura. Isso resulta em duas moléculas de DNA idênticas, cada uma com uma fita original e uma nova. Essa duplicação é crucial para a hereditariedade e a transmissão de informações genéticas durante a divisão celular. Na replicação do DNA, o primeiro carbono do açúcar de um novo nucleotídeo deixa o carbono 3' livre para fazer a ligação com o grupo fosfato do nucleotídeo adjacente. Durante essa ligação, duas ligações químicas ocorrem: uma é a ligação fosfodiéster, que une os nucleotídeos adjacentes na fita em crescimento, formando o "corrimão" da nova fita de DNA; a outra é a formação de pontes de hidrogênio entre as bases nitrogenadas de nucleotídeos complementares em fitas opostas, fechando o "degrau" entre elas. Esses processos consomem energia na forma de trifosfato de nucleotídeo, fornecendo o fosfato necessário para a ligação fosfodiéster. Principais enzimas da replicação Helicases: Abrem a dupla hélice, ou seja, quebram as ligações pontes de hidrogênio entre as bases nitrogenadas (purinas ou pirimidinas) de ambas as cadeias de DNA, fazendo com que estas se separem. Quebra em diferentes locais da molécula (ponto de origem). quanto maior a molécula, mais regiões de origem ela tem Proteínas SBB: o inglês, single strand binding, ou ligação fita simples, mantêm as 2 fitas separadas. Evitam que o DNA fita simples sofra torções. Protegem de degradação. Primase: Fornece o primer (complexo iniciador) que se liga a fita existente para que se inicie a replicação; A primase sintetiza um pedaço de RNA, que serve como iniciador. Primase permite adicionar nucleotídeos no pontos de origem - esses primers são de RNA. DNA-polimerase: O novo DNA é feito por enzimas denominadas DNA polimerases, que necessitam de um molde e um primer (iniciador) e sintetizam DNA na direção 5' para 3'. A limitação da DNA polimerase é que ela requer uma extremidade 3' livre para iniciar a síntese de uma nova fita de DNA. Isso significa que a DNA polimerase não pode iniciar a síntese de uma nova cadeia de nucleotídeos por si só; ela precisa que alguns nucleotídeos já tenham sido adicionados anteriormente, iniciando assim a extensão da fita. Uma vez iniciada, a DNA polimerase adiciona continuamente nucleotídeos à extremidade 3' livre, estendendo a cadeia de nucleotídeos. Obs: Sempre precisam de uma fita molde Adicionam nucleotídeos somente na terminação 3' de uma fita de DNA. Não conseguem dar início à formação de uma cadeia de DNA; requerem uma cadeia pré-existente ou uma pequena sequência de nucleotídeos chamada de primer. fita tardia, coloca o primer para iniciar e depois que vem a polimerase construindo a fita Correlação Clínica Muitas das drogas usadas no tratamento do HIV são análogos dos nucleotídeos trifosfatados. Por exemplo, a droga zidovudina (AZT) é um análogo da timina que não possui a OH na extremidade 3’ da desoxirribose, o que impede então que outro nucleotídeo seja incorporado à fita que está sendo duplicada e interrompe a duplicação do vírus. Os primeiros medicamentos desenvolvidos para o HIV, foram desenvolvidos nesse sentido, são análogos de nucleotídeos com modificações químicas, a ponto que ele entra por competição, impedindo que o outro entre, por isso o DNA viral não consegue ser replicado. Ele é parecido com os nucleotideos usados. Ele não tem o c3' para fazer ligação - sintese interrompida, pois não faço ligação fosfodiester, fazendo com que não ocorra a síntese Extensão das fitas: Durante a replicação do DNA, uma nova fita (fita líder) é feita como uma peça contínua. A outra (fita tardia) é feita em pequenas partes.Sempre coloca o prime para fazer cada pedaço - justifica ela ser lenta. As proteinas SSB estão por fora, na fita mãe. para manter a construção da fita contraria, ele acontece de pedações em pedações, pulando alguns nucleotideos. Ligase: Sela as lacunas entre os nucleotídeos. liga os fragmentos. Topoisomerase: Alteram o superenrolamento da molécula promovendo uma quebra na mesma, ou seja, destorcem o DNA a frente da forquilha de replicação para evitar uma supertorção. impedir que a molecula de DNA se quebra - cliva a tensão da fita que ainda será quebrada. DNA topoisomerases: Tiram a tensão. Correlação clínica O quimioterápico etoposide inibe a topoisomerase e é amplamente usado no tratamento do câncer de pulmão, ovário, testículo e prostáta. A quimioterapia provoca queda de cabelo e diarreia porque visa matar células em rápida divisão, tanto tumorais quanto saudáveis, mas o risco-benefício compensa. Devido à constante proliferação das células da medula óssea, a quimioterapia também afeta o sistema imunológico. Ela não é específica, ao contrário de algumas enzimas como a DNA girase. A quimioterapia bloqueia a topoisomerase, interrompendo o processo de replicação do DNA, o que leva à quebra do DNA e induz a apoptose. DNA girase é uma topoisomerase encontrada apenas em procariotos. Antibióticos da classe das quinolonas, como a ciprofloxacin, inibem a DNA girase e são usados para tratar várias infecções incluindo as complicações do trato urinário. impedir a replicação bacteriana: mecanismo em cima do dna. Se eu uso DNA girase, mata celula da bacteria e não a nossa, pq não temos dna girasse Aplicação das práticas de replicação de DNA Os princípios que incluem a replicação do DNA nas células têm sido aplicados para o desenvolvimento de duas técnicas de laboratório que são vitais na análise de genes e do genoma. 1 A seqüência de nucleotídeos de uma molécula de DNA pode ser determinada (Sequenciamento de DNA); Esse processo envolve replicar o genoma do organismo em um tubo de ensaio. O princípio básico é que, durante a replicação, nucleotídeos modificados e marcados com pigmentos são incorporados, permitindo a visualização e determinação da sequência. 2- Seqüências pequenas de DNA podem ser copiadas usando a técnica da reação em cadeia da polimerase (PCR). Pequenas sequências de DNA podem ser copiadas usando a técnica da reação em cadeia da polimerase (PCR). A PCR é usada para detectar doenças genéticas e infecções ao replicar DNA in vitro. Durante o processo, a replicação é direcionada, e só ocorre se o material genético alvo estiver presente na amostra. Para garantir especificidade, como no caso do coronavírus, utilizamos primers que se ligam exclusivamente à sequência do vírus. Em vitro, não há primase, então adicionamos primers específicos diretamente. Se o primer se liga ao DNA do coronavírus e a replicação ocorre, o resultado é positivo. Se não houver ligação, o resultado é negativo. A PCR é uma técnica altamente específica para identificar material genético de parasitas, vírus e bactérias. Fim da replicação em cromossomos terminais O DNA da extremidade do cromossomo não pode ser totalmente copiado em cada ciclo de replicação, resultando em um encurtamento lento e gradual do cromossomo. Telomeros: Estabilidade dos cromossomos lineares e para a replicação completa da informação genômica. 2.000 repetições: TTAGGG. Consiste em várias repetições de uma sequência de nucleotídeos (TTAGGG) no final da moléculade DNA, garantindo estabilidade. Funciona como uma "gordurinha para queimar": a cada divisão celular, uma parte dos telômeros é perdida, encurtando- os, o que está associado ao envelhecimento. Para evitar a perda de genes com o desgaste dos cromossomos, as extremidades dos cromossomos eucarióticos têm tampões de DNA especializados chamados de telômeros. Algumas células têm a capacidade de reverter o encurtamento dos telômeros através da expressão da telomerase, uma enzima que estende os telômeros dos cromossomos. A telomerase é uma DNA polimerase RNA dependente, ou seja, uma enzima que pode produzir DNA usando o RNA como molde. Telomerase: possui a capacidade de evitar a perda de telômeros durante a divisão celular. A telomerase é composta de proteínas e um pequeno RNA, que reconhece as extremidades dos telômeros. Quando o RNA da telomerase se liga a estas extremidades, permite que a telomerase adicione repetidamente sequências de nucleotídeos, alongando os telômeros. A telomerase não cria telômeros do zero, mas alonga os existentes, prevenindo seu encurtamento e contribuindo para a manutenção da estabilidade cromossômica. Como funciona: a enzima se liga a uma molecula especial de RNA que contem uma sequencia complementar à repetição do telômero. Ela prolonga (adiciona nucleotídeos) a extensão da fita do DNA do telômero usando um RNA como molde. Quando a extensão está longa o suficiente, pode-se fazer uma fita complementar através do mecanismo comum de replicação de DNA (isto é, usando um primer e DNA polimerase), produzindo uma fita dupla de DNA. A telomerase adiciona repetidamente a mesma sequência de nucleotídeos (TTAGGG) às extremidades dos telômeros. Esse alongamento permite que a primase coloque um primer, e então a DNA polimerase pode complementar a sequência, replicando o DNA de forma completa e prevenindo a perda de material genético crucial. OBS: telomerase não é geralmente ativa na maioria das células somáticas, mas é ativa nas células germinativas e em algumas células-tronco adultas. Esses são tipos celulares que precisam passar por diversas divisões ou, no caso das células germinativas, dar origem a um novo organism Gene Gene: Unidade física, funcional e fundamental da hereditariedade. Cada gene é composto por uma sequência específica de base s nitrogenadas A, T, C e G que contém uma “receita” para produzir uma proteína que desempenha uma função no organism. Toda sequência nucleotídica necessária e suficiente para a síntese de um polipeptídeo ou de uma molécula de RNA estrutural. Estrututa geral de um gene: Os genes possuem marcadores específicos que permitem sua identificação quando a célula precisa sintetizar algo. Dentro da célula, as enzimas que localizam os genes necessitam de um códon de início (start codon) e um códon de parada (stop codon) para identificar corretamente a sequência de nucleotídeos que compõe um gene. Esses marcadores funcionam como uma identidade, orientando as enzimas na transcrição e tradução do DNA em proteínas. Região regulatória: região inicial. É a região de regulação do gene, onde vão se ligar diferentes proteínas que irão reconhecer, permitir ou inibir que esse gene funcione. Região codificante: região seguinte a regulatória. Exemplo: Uma mutação na região regulatória, como -39, pode impedir o reconhecimento do gene pelas enzimas responsáveis. Se essa região estiver mutada, o gene pode não ser encontrado ou corretamente ativado, comprometendo a produção de proteínas e a replicação do DNA, pois a maquinaria celular não consegue iniciar a transcrição. Promotor: Sequência de nucleotídeos que tem uma posição conservada em quase todos os organismos. Identifica e onde inicia a transcrição de um determinado gene O que significa uma região ser chamada de conservada, de sequencia consenso? Uma região ser chamada de conservada significa que sua sequência de nucleotídeos permanece praticamente inalterada ao longo da evolução entre diferentes espécies, indicando sua importância funcional. Uma sequência consenso é uma sequência de DNA que representa os nucleotídeos mais frequentes em cada posição de uma região específica, derivada de um alinhamento de várias sequências semelhantes. A diferenciação para um gene específico, como o da insulina, não está na região promotora, que é a responsável por iniciar a transcrição, mas na região codificante que vem após a promotora. A região codificante contém a informação que será usada para sintetizar a proteína específica. Região codificante: é a região que contém a sequencia de produto do gene,é a sequencia que vai ser lida e copiada de uma outra forma para agir no citoplasma. Varia ade tamanho em diferentes genes e diferentes organismos. Nem toda a região codificante é codificante por inteiro, pois entre as sequências que irão fazer parte do produto final do gene existem sequências intervenientes, que serão copiadas, mas que não farão parte do produto final do gene. - éxon: Correspondem à informação genética que realmente codifica a sequência de aminoácidos da proteína -íntron: Sequências intervenientes. Regiões não codificantes. OBS: Sofremos mutações por diversos fatores, imagine se todo nosso material genético servisse para codificar um gene? Se todo o nosso material genético fosse codificante, estaríamos mais suscetíveis a erros e danos. Os introns, embora não codifiquem proteínas, desempenham um papel importante na proteção do DNA. É interessante notar que vírus e bactérias, apesar de sua capacidade de replicação rápida, não possuem introns. Isso sugere que sua evolução pode ter sido focada em replicação eficiente, às custas de mecanismos de proteção genética mais complexos. Como resultado, eles podem ser mais vulneráveis a danos genéticos, já que estão constantemente se multiplicando. Numeração dos nucleotideos no gene: Diferentes espécies apresentam diferentes genes, mas todos são escritos na mesma linguagem básica do DNA. Embora os genes compartilhem a mesma composição fundamental, as diferenças entre espécies surgiram ao longo da evolução devido à diversificação e especialização. Essa variação nos genes é crucial para a adaptação e sobrevivência das diferentes espécies em ambientes específicos. Exemplo: Geneticamente podemos retirar genes de uma bactéria e inserir no DNA de uma planta ou de um animal e ele será lido e produzirá a proteína bacteriana. Milho que é tóxico para insetos mas seguro para humanos. Bactéria que produz a proteína insulina humana. Curiosidades: Em média um gene possui 27 mil pares de bases. O tamanho dos genes varia muito, de mil a 2,4 milhões de pares de bases. Os genes não estão distribuídos igualmente no genoma. O cromossomo 19 é pequeno e os genes estão densamente organizados, enquanto o cromossomo 8 tem longos fragmentos de “desertos gênicos” com regiões não- codificantes. O cromossomo Y possui menos genes (231), enquanto o cromossomo 1 tem a maior parte (2.968). Todos os genes humanos apresentam muitos íntrons. Organização genômica Genoma é o conjunto de cromossomos que possui toda a informação hereditária de um ser, e é codificada no DNA. Cada espécie possui um conjunto cromossômico típico em termos do número e da morfologia dos cromossomos.. Cada espécie possui um genoma único, que é um conjunto completo de material genético. O número de cromossomos em uma espécie é uma característica fundamental que pode ser usada para diferenciar as espécies, pois, geralmente, cada espécie tem um número característico de cromossomos. No entanto, não há uma relação direta entre o número de cromossomos e a complexidade de uma espécie. Por exemplo, algumas espécies de plantas têm mais cromossomos do que os seres humanos, mas isso não as torna mais complexas. A complexidade de uma espécie é determinada por uma variedade de fatores genéticos e ambientais, e nãohá uma regra única para isso. O genoma é considerado normal quando não apresenta modificações em número e forma de cromossomos. Essas modificações estão frequentemente associadas a síndromes e doenças genéticas. Existem 24 tipos diferentes de cromossomos, cada um carregando genes distintos. Os seres humanos possuem 23 pares de cromossomos, sendo um dos pares determinante do sexo (XY para homens e XX para mulheres). Os genes ocupam posições específicas nos cromossomos, e estima-se que o genoma humano contenha cerca de 20 mil genes. alguns genes codificam proteínas que são incorporadas na membrana das hemácias, influenciando a tipagem sanguínea. Outros genes estão envolvidos no metabolismo de substâncias como a cafeína, onde as variações na sequência de bases nitrogenadas afetam como essas substâncias são metabolizadas e excretadas pelo corpo. Embora o gene responsável por uma função específica seja o mesmo em todos os indivíduos de uma espécie, as variações nas bases nitrogenadas determinam a composição das proteínas resultantes, levando a diferenças individuais. A expressão gênica, por sua vez, refere-se ao processo pelo qual as informações contidas nos genes são lidas, transcritas em RNA e traduzidas em proteínas funcionais. Esse processo é altamente regulado e influenciado por uma variedade de fatores internos e externos. Quando um gene se expressa, ele se manifesta funcionalmente, contribuindo para os processos biológicos do organismo. Obs: 24 cromossomos diferentes, carregam genes diferentes: Homem 24 tipos (xy), mulheres 23 Na expressão gênica, as mudanças na parte codificante do gene podem afetar diretamente a sequência de aminoácidos na proteína resultante, influenciando sua estrutura e função. Por outro lado, mudanças na região regulatória do gene podem afetar a capacidade da célula de iniciar ou regular a transcrição desse gene, afetando indiretamente a produção da proteína. Portanto, alterações na região codificante do gene geralmente têm efeitos diretos sobre a proteína produzida, enquanto alterações na região regulatória podem afetar a expressão do gene como um todo, incluindo a produção de RNA mensageiro e, consequentemente, de proteína. Surpresas De seus 3,1 bilhões de pares de bases (por célula haplóide), menos de 2% compõem regiões codificadoras, contendo um total de cerca de 20 mil genes (somando os 24 cromossomos). Esse número mais baixo de genes significa que a diversidade de proteínas observada ( ~100 mil), deve ser produzida após a transcrição.Ou seja, os genes humanos devem codificar várias proteínas diferentes Os cromossomos humanos são numerados em ordem decrescente de tamanho, com os cromossomos menores representando o par sexual, usualmente X e Y. O genoma completo inclui o DNA mitocondrial (mtDNA), além do DNA nuclear encontrado nos cromossomos dentro do núcleo. As mitocôndrias possuem sua própria maquinaria genética, sendo autônomas e contendo genes essenciais para nosso funcionamento. Sabemos o tamanho de cada cromossomo, suas variações de bases e quais codificam proteínas, o que ajuda a entender doenças e a aplicar terapia gênica, como no caso do CRISPR, que permite a edição e troca de genes. Organização do genoma humano Acima de 50% do genoma constitui-se de seque ̂ncias altamente repetitivas. Quase todo (99,9%) o genoma é o mesmo em todas as pessoas. Existem muitos genes cujas funções ainda são desconhecidas. Em humanos, existem regiões chamadas de "locus" que não contêm genes, mas sim sequências de nucleotídeos (bn) repetitivas e altamente variáveis entre indivíduos, conhecidas como microsatélites. São cerca de 20 dessas regiões, e sua variabilidade é maior do que a alteração de uma única base. Embora não desempenhem uma função específica, essas regiões são usadas em genética forense para garantir a identificação de uma amostra de DNA específica e determinar similaridades genéticas entre indivíduos. Isso é especialmente útil na diferenciação de tipos sanguíneos e na distinção entre pessoas. Por exemplo, se um não corresponde, isso é considerado exclusão, pois pode ser resultado do acaso. A variabilidade é maior nas regiões de microsatélites do que nos genes, e isso não prejudica a pessoa ou sua capacidade reprodutiva. Ao longo do tempo, essa variabilidade tem aumentado. 2% representam a região codificante. 98% lixo¿ Quando o sequenciamento do genoma começou, acreditava-se que apenas 2% era funcional para a produção de proteínas, considerando o restante como "DNA lixo". No entanto, com avanços na pesquisa e técnicas, descobriu-se que embora apenas 2% seja responsável pela codificação de proteínas, cerca de 80% do genoma é acessado e transcrito (expresso). Transcrição envolve a leitura do DNA e a produção de vários tipos de RNA com diferentes funções. Essa parte do genoma produz, por exemplo, RNA transportador, que não codifica proteínas, mostrando que uma grande parte do genoma desempenha funções importantes além da codificação de proteínas. DNA não – codificante: ncRNAs . rRNAs . snoRNAs . tRNA . Íntrons . Regiões intergênicas . Dogma central da biologia: O dogma central da biologia, antes considerado uma verdade absoluta imutável, afirmava que todos os genes no DNA serviam para a produção de RNA mensageiro (mRNA), que por sua vez era traduzido em proteínas. No entanto, ao longo do tempo, esse dogma foi questionado, pois descobriu-se que não apenas as proteínas têm função, mas também certos tipos de RNAs desempenham funções importantes. Partes do DNA podem produzir RNAs não codificantes, que nunca serão traduzidos em proteínas. Os genes são segmentos do DNA compostos por bases nitrogenadas que carregam informações para a produção de produtos biológicos. Apenas cerca de 2% do genoma humano codifica proteínas, enquanto aproximadamente 80% é transcrito em outros tipos de RNAs não codificantes, que não produzem produtos. Um exemplo de desvio desse dogma é observado em retrovírus, que possuem um genoma de RNA e utilizam a enzima transcriptase reversa para transcrever seu RNA em DNA, alterando o fluxo de informação genética. Divisão do genoma: O genoma humano é composto pelo DNA nuclear, encontrado no núcleo das células, e pelo DNA mitocondrial, encontrado nas mitocôndrias. O DNA nuclear é responsável pela maioria das características e funções celulares, enquanto o DNA mitocondrial está relacionado à produção de energia. As mitocôndrias são consideradas descendentes de bactérias que foram englobadas por células ancestrais em um evento de endossimbiose. O DNA mitocondrial é circular, semelhante ao DNA de bactérias, e possui características próprias, separadas do DNA nuclear. O DNA mitocondrial é de herança materna, pois durante a fecundação, o espermatozoide não contribui com suas mitocôndrias, sendo apenas as mitocôndrias presentes no ovócito que serão transmitidas à descendência. Durante a formação do zigoto, o espermatozoide contribui com uma cópia do genoma nuclear, enquanto o óvulo transmite a segunda cópia do genoma nuclear + o genoma mitocondrial. Assim o genoma mitocondrial tem herança exclusivamente materna. Homens e mulheres herdam suas mitocôndrias de suas mães, mas os homens não transmitem suas mitocôndrias para as gerações seguintes. O padrão de herança do DNA mitocondrial é diferente daquele do DNA nuclear. O DNA nuclear de uma pessoa é uma "colcha de retalhos" de segmentos herdados de muitos ancestrais diferentes. enquanto o DNA mitocondrial é herdado através de uma única linhagem contínua de ancestrais femininos. Conceitos genéticos importantes e variabilidade Genótipo: Refere-se à informação genética completa de um organismo, incluindo todos os genes e alelos presentes em seus cromossomos. Essa informação é herdada dos pais e determina as características biológicas potenciais do organismo, como cor dos olhos, tipo sanguíneo,altura, entre outros. As formas de escrever um genótipo incluem AA, Aa e aa, representando as combinações de alelos presentes em um cromossomo herdado do pai e da mãe. Fenótipo: É a expressão física e observável das características de um organismo, influenciada tanto pelo seu genótipo quanto pelo ambiente em que vive. Inclui características como cor dos olhos, tipo de cabelo, altura, comportamento, entre outros. O fenótipo é o resultado da interação entre a informação genética (genótipo) e fatores ambientais, como dieta, exposição a toxinas e condições climáticas. A expressão do genótipo pode manifestar características e doenças que são pouco influenciadas pelo ambiente, como é o caso dos Erros Inatos de Metabolismo. Por outro lado, a Diabetes, embora tenha uma carga genética, é mais significativamente moldada pelo ambiente em sua evolução. Na terapia genética da anemia falciforme, o genoma é editado para corrigir o DNA da medula óssea, permitindo a produção de células sanguíneas sem defeitos, semelhantes às células nas quais a pessoa nasceu. A obesidade é um dos principais fatores de risco para o câncer, logo após o tabagismo, destacando a influência do ambiente sobre o DNA nesse processo. Locus: refere-se ao local específico no genoma onde um gene está localizado. Cada locus possui um gene associado, e esse endereço é fixo, não mudando de um indivíduo para outro. Todos nós compartilhamos os mesmos cromossomos e genes, com cada gene ocupando um local característico no genoma humano. No entanto, embora possamos ter genes idênticos ocupando o mesmo locus, a sequência exata desses genes pode variar entre os indivíduos. Como ocorre variação¿ Porque os genes existem sob formas diferentes chamadas de alelo. As proteínas podem ser construídas de maneiras diversas, resultando em variações na eficácia do seu funcionamento. Essas variações são atribuídas aos alelos, que representam formas diferentes do mesmo gene. Quando possuímos genes idênticos, somos considerados pertencentes à mesma espécie e compartilhamos os mesmos genes. No entanto, é importante ressaltar que mesmo genes semelhantes podem conter informações genéticas diferentes em suas composições de DNA, principalmente nas sequências de bases nitrogenadas. Alelos: formas alternativas de um gene. Numa mesma população pode haver de 1 a muitos alelos diferentes para cada determinado gene. Os alelos são diferentes formas ou variantes de um gene que ocorrem em um mesmo locus gênico em cromossomos homólogos. Cada organismo diploide (com dois conjuntos de cromossomos) herda um alelo de cada pai para um determinado gene. Por exemplo, o gene que determina a cor dos olhos pode ter alelos para olhos castanhos, azuis ou verdes. A combinação específica de alelos que um organismo possui em um determinado locus gênico é chamada de seu genótipo para esse gene, enquanto a expressão física desses alelos é chamada de fenótipo. Alelos diferentes podem resultar em diferentes expressões fenotípicas de uma característica, como cor do cabelo, altura, suscetibilidade a certas doenças, entre outras. Por exemplo, consideremos um gene hipotético, "a", que possui dois alelos, representados como "Aa", indicando que não são idênticos. "Aa" é uma representação simbólica para denotar diferentes variantes do mesmo gene. Em alguns casos, como nos genes do sistema imunológico, podem existir milhares de alelos diferentes, refletindo diversas modificações nas sequências de DNA. Isso é evidenciado em testes genéticos, nos quais as pessoas podem apresentar variações na escrita do gene, resultando em uma grande variabilidade genética. Entretanto, como os organismos tem apenas um ou dois conjuntos de cromossomos por célula, qualquer organismo individual pode ter apenas 1 ou 2 alelos por gene!! O sistema ABO é determinado pelo gene I, o qual apresenta três formas diferentes, ou seja, três alelos: IA, IB e i. Isso resulta em seis combinações genotípicas possíveis, considerando os três alelos. Por exemplo, se uma pessoa possui dois alelos IA, seu fenótipo será do tipo A. Os fenótipos são determinados pela produção de proteínas específicas nas hemácias, as quais geram respostas antigênio-anticorpo, fornecendo a utilidade do sistema ABO. Para ilustrar: Indivíduos com sangue tipo A possuem antígenos A em suas hemácias e anticorpos anti-B em seu plasma. Indivíduos com sangue tipo B possuem antígenos B em suas hemácias e anticorpos anti-A em seu plasma. Indivíduos com sangue tipo AB possuem ambos os antígenos A e B em suas hemácias, mas não possuem anticorpos anti-A ou anti-B em seu plasma. Indivíduos com sangue tipo O não possuem antígenos A ou B em suas hemácias, mas possuem ambos os anticorpos anti-A e anti-B em seu plasma. Alelo A: Codifica a produção de uma proteína chamada antígeno A. Alelo B: Codifica a produção de uma proteína chamada antígeno B. Alelo O: Não codifica a produção de antígeno. Cada indivíduo herda um alelo de cada pai, resultando em seis possíveis genótipos: AA, AO, BB, BO, AB e OO. No entanto, apenas quatro desses genótipos resultam em fenótipos sanguíneos diferentes: Genótipos AA ou AO: Expressam o fenótipo sanguíneo A. Genótipos BB ou BO: Expressam o fenótipo sanguíneo B. Genótipo AB: Expressa o fenótipo sanguíneo AB (ambos os antígenos A e B). Genótipo OO: Expressa o fenótipo sanguíneo O. Esses antígenos são importantes na determinação da compatibilidade sanguínea em transfusões Como surgem os alelos? Os alelos surgem devido a mutações genéticas e são as diferentes formas alternativas de um gene que ocupam o mesmo locus em cromossomos homólogos. As mutações são alterações no DNA que podem ocorrer de várias maneiras: Substituições de nucleotídeos: Um nucleotídeo é substituído por outro no DNA, levando a uma mudança no código genético. Isso pode resultar em um novo alelo com uma função diferente do alelo original. Inserções e deleções: Adição ou remoção de um ou mais nucleotídeos no DNA. Isso pode causar uma mudança no quadro de leitura, levando a uma proteína com uma sequência de aminoácidos diferente, o que pode resultar em um novo alelo. Rearranjos cromossômicos: Mudanças na estrutura dos cromossomos que podem causar duplicações, inversões, translocações ou deleções de grandes segmentos de DNA, afetando os alelos presentes nesses locais. Essas mutações podem ocorrer devido a vários fatores, como erros durante a replicação do DNA, exposição a agentes mutagênicos, radiação, entre outros. Uma vez que uma mutação ocorre em um gene, ela pode se tornar um novo alelo se for transmitida à descendência através da reprodução. Com o tempo e através de processos evolutivos, a diversidade de alelos em uma população pode aumentar, contribuindo para a variabilidade genética. A mutação é a base da variabilidade genética Mutação: quando um gene possui uma sequência de bases corretas, ele produz a proteína correspondente. No entanto, alterações podem ocorrer, resultando em produtos diferentes e, consequentemente, em alelos distintos. Algumas mutações podem levar à produção de uma proteína anormal, com atividade reduzida ou até mesmo à incapacidade de formar a proteína Se danos ocorrerem nas células somáticas, podem surgir consequências. Se forem graves, podem levar à morte celular, resultando em danos locais ou envelhecimento. Se a mutação persistir, o problema pode se tornar câncer. Por outro lado, se esses danos afetarem os gametas - óvulos e espermatozoides - não afetam diretamente o indivíduo, mas podem impactar sua prole, pois as mutações são transmitidas. Alterações nas células germinativas não resultam em morte celular, mas são transmitidas adiante, aumentando a variabilidade genética e gerando novas versões do alelo. Mutações ocorrem não apenas em nós, mas em outros seres, devido à exposição a diversas substâncias capazes de interagir com o DNAe modificá-lo, incluindo quebra, ligação cruzada e substituição de letras. Cerca de 90% dos casos de câncer são atribuídos a fatores ambientais, embora a genética também desempenhe um papel importante, tornando mais fácil o surgimento da doença. Agentes físicos, como radiações UV, raio-x e radiação de bombas nucleares, são capazes de lesar o DNA. Agentes químicos, como drogas, quimioterápicos, tolueno e substâncias presentes no cigarro, também exercem esse efeito. Os agentes biológicos, como vírus e bactérias, como o HPV e a hepatite, são carcinogênicos, interagindo com o DNA e causando câncer, como no caso do H. pylori. O câncer é essencialmente um dano ao DNA, uma doença genética causada por mutações, inclusive aquelas provenientes do próprio organismo, como o excesso de radicais livres. A inflamação crônica, associada à obesidade, contribui para o aumento de radicais livres, causando danos ao DNA e estabelecendo uma associação entre obesidade e câncer Mas afinal, mutações são boas ou ruins? De forma resumida, mutações podem ser tanto benéficas quanto prejudiciais, dependendo do contexto. Algumas mutações podem resultar em características vantajosas que conferem uma vantagem adaptativa aos organismos em certos ambientes, enquanto outras podem causar doenças ou reduzir a aptidão dos organismos. Mutações geram novas formas que, se sobrevivem e são transmitidas adiante, gradualmente se diferenciam e moldam a história evolutiva. A maioria das mutações no genoma de uma pessoa é neutra ou quase neutra, o que significa que não causam problemas significativos, mas podem resultar em diferenças observáveis, como na cor dos olhos ou nos tipos sanguíneos. Embora sejam extremamente diversas, a maioria dessas mutações não tem efeitos drásticos no fenótipo A maioria das mutações no genoma de uma pessoa são neutras ou quase neutras, o que significa que não causam efeitos significativos na função ou na saúde do organismo. Essas mutações geralmente ocorrem em regiões não codificadoras do DNA ou em genes que não são essenciais para a sobrevivência ou para a reprodução. Portanto, elas não conferem uma vantagem adaptativa nem causam danos significativos. Essas mutações neutras são importantes para a variabilidade genética dentro de uma população e podem ser transmitidas ao longo das gerações sem impacto perceptível na aptidão dos indivíduos. Isso significa que não causam efeitos drásticos sobre o fenótipo Em geral, quando alelos novos estão associados a características indesejáveis, sua frequência tende a manter-se em níveis baixos na população. Em se tratando de uma patologia congênita, podemos supor que o potencial reprodutivo do organismo seja diminuído (ou até mesmo perdido) e, com isso, a transmissão do alelo às gerações descendentes é restrita. Doenças genéticas debilitantes, como a anemia falciforme, são extremamente raras devido à baixa frequência desses alelos na população. Essas condições, que envolvem alterações drásticas em um único gene, geralmente impedem a sobrevivência ou a capacidade de procriação dos indivíduos afetados, o que resulta em uma baixa incidência na população. Como resultado, as pessoas não costumam viver o suficiente para transmitir essas condições geneticamente aos seus descendentes. Isso é especialmente evidente em erros inatos do metabolismo, onde a ocorrência é tão baixa que as chances de dois pais afetados terem filhos com o mesmo problema são extremamente pequenas. “Quem não procria: não contribui para a sobrevivência da espécie” Quando uma alteração genética não é severa ao ponto de causar morte ou debilitação, pode resultar em polimorfismo genético. Isso significa que há várias formas ou variantes do gene presentes na população. Um exemplo disso é o sistema ABO de grupos sanguíneos, onde os alelos A, B e O resultam em diferentes tipos sanguíneos. Com o tempo, essas variações genéticas se tornam comuns na população devido à seleção natural e outros processos evolutivos, estabelecendo assim uma variabilidade genética que pode ser observada em muitos indivíduos. Entretanto, caso o novo alelo não esteja diretamente relacionado a uma diminuição no potencial reprodutivo do organismo, ele será transmitido ao longo das gerações e poderá constituir um polimorfismo genético. Correlação Clínica Na anemia falciforme, ocorre uma mutação no gene que codifica a hemoglobina, uma proteína presente nos glóbulos vermelhos responsável pelo transporte de oxigênio. Essa mutação envolve uma substituição de um nucleotídeo no DNA, onde uma adenina é trocada por uma timina em uma das fitas de DNA. Isso resulta em uma mudança no códon correspondente na molécula de RNA mensageiro (mRNA), levando à substituição de um aminoácido na proteína. No caso da anemia falciforme, essa troca de aminoácido substitui o ácido glutâmico por valina na molécula de hemoglobina, o que altera sua estrutura tridimensional e suas propriedades funcionais. Essa mudança na proteína faz com que os glóbulos vermelhos assumam uma forma de foice quando desoxigenados, levando a complicações de saúde associadas à anemia falciforme. A substituição da valina, um aminoácido com características hidrofóbicas, pelo glutamato, que possui uma carga negativa, na posição seis da cadeia de polipeptídeo da hemoglobina, resulta em mudanças significativas. Essa alteração química faz com que as moléculas de hemoglobina, desprovidas de oxigênio, se polimerizem e formem aglomerados. Consequentemente, a forma da hemoglobina é distorcida, assumindo uma estrutura em forma de foice ao invés da forma redonda habitual. Isso ocorre devido à aglomeração das proteínas, que perdem sua suavidade e flexibilidade. Essas células sanguíneas com forma de foice são propensas à hemólise, levando à anemia. Além disso, um dos principais sintomas são dores articulares intensas. Enquanto as hemácias redondas fluem livremente no fluxo sanguíneo, as células em forma de foice tendem a se acumular e se aglomerar em bifurcações, como nas articulações, gerando inflamações locais e processos inflamatórios. As hemoglobinopatias resultam de mutações que produzem alterações na estrutura da hemoglobina. Existem muitas hemoglobinopatias descritas. Uma mutação comum resulta em anemia falciforme, na qual a cadeia beta da hemoglobina contém uma valina em vez de um glutamato na posição 6 (designada como E6V, usando os códigos de uma letra para os aminoácidos. E6V significa que o glutamato (E) na posição 6 da cadeia de aminoácidos foi substituído por uma valina (V). Assim, na hemoglobina mutante (HbS), um aminoácido hidrofóbico substitui um aminoácido com carga negativa. Essa mudança permite que moléculas desoxigenadas de HbS se polimerizem. Os glóbulos vermelhos que contêm grandes complexos de moléculas de HbS podem assumir a forma de foice. Essas células sofrem hemólise e resultam em anemia. Também ocorrem crises vaso�oclusivas dolorosas, podendo resultar em danos aos órgãos-alvo. OBS: E6V" é uma forma abreviada para descrever uma mutação específica em uma proteína. Nesse caso, "E" representa o aminoácido glutamato e "V" representa o aminoácido valina. A designação "6" indica que essa substituição ocorreu no sexto aminoácido da cadeia de polipeptídeo da proteína em questão. Portanto, essa descrição indica que houve uma mutação onde o aminoácido glutamato foi substituído pelo aminoácido valina no sexto posição da sequência de aminoácidos da proteína. Lactose A hipolactasia primária está relacionada ao “desligamento” da enzima lactase pelo gene MCM6 pós os primeiros anos de vida. Nas últimas décadas foram descritas alterações genéticas no gene MCM6 capazes de impedir a ação deste gene e, assim, a lactase permanece “ligada” no indivíduo adulto (lactase persistente). Após o desmame, o gene MCM6 é normalmente silenciado, o que resulta na inativação do gene da lactase. No entanto, algumasmutações nesse gene têm um efeito diferente. Em indivíduos com essas mutações, o gene da lactase permanece ativo, permitindo a produção contínua da enzima lactase mesmo na idade adulta. Essas pessoas podem consumir produtos lácteos sem problemas de intolerância à lactose, já que continuam a expressar o gene da lactase ao longo da vida. O consumo de leite contribuiu para a redução dos casos de raquitismo, tornando-se uma vantagem evolutiva para aqueles que desenvolveram uma mutação que lhes permitia digerir lactose. Essa adaptação gradual ao consumo de leite acabou se tornando vantajosa à medida que os indivíduos que possuíam essa mutação se beneficiavam da ingestão de leite e seus derivados, o que impulsionou sua prevalência na população. Associação com idade pela epigenética: A capacidade de digerir lactose está frequentemente associada à idade devido à regulação epigenética do gene da lactase. A lactase é a enzima responsável por quebrar a lactose, o açúcar encontrado no leite. Em muitas populações, o gene que codifica a lactase é inicialmente expresso em altos níveis durante a infância para facilitar a digestão do leite materno. No entanto, após o desmame, a atividade do gene da lactase é frequentemente reduzida através de mecanismos epigenéticos, como a metilação do DNA, levando a uma diminuição na produção de lactase e resultando em intolerância à lactose em muitos adultos. Outros sintomas confundindo o teste: A intolerância à lactose pode apresentar uma variedade de sintomas que podem ser confundidos com outras condições médicas. Além dos sintomas gastrointestinais mais comuns, como dor abdominal, inchaço e diarreia após a ingestão de laticínios, também podem ocorrer sintomas menos óbvios, como dores de cabeça, fadiga e irritabilidade. Esses sintomas podem ser confundidos com outras condições médicas, como síndrome do intestino irritável ou alergias alimentares, o que torna o diagnóstico da intolerância à lactose desafiador em alguns casos.