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O cultivo de trigo surgiu há cerca de 10.000 anos no Oriente Médio. Hoje, o trigo é o principal produto agrícola para mais de um bilhão de pessoas. É cultivado em diversos ambientes, desde a Noruega até a Argentina. Desenvolveram-se mais de 17.000 variedades, cada uma delas adaptada a uma região diferente. A produção mundial de trigo é de 60 milhões de toneladas anuais, o que representa mais de 20% das calorias consumidas por toda a população humana. Sem dúvida, o trigo é um produto agrícola importante e, segundo alguns, um sustentáculo da civilização. O trigo cultivado atualmente, Triticum aestivum, é um híbrido de no mínimo três espécies diferentes. Originou-se de gramíneas de baixo rendimento que cresciam na Síria, no Irã, no Iraque e na Turquia. Aparentemente, algumas dessas gramíneas eram cultivadas por povos antigos dessas regiões. Embora não conheçamos o curso exato dos acontecimentos, parece ter havido um intercruzamento de duas dessas gramíneas, produzindo uma espécie que se destacou como planta de cultura. Graças ao cultivo humano, essa espécie híbrida passou por melhoramento seletivo e também foi intercruzada com uma terceira espécie, produzindo um híbrido triplo, ainda mais adequado para a agricultura. O trigo moderno é descendente dessas plantas híbridas triplas. O que tornou os trigos triplos-híbridos tão superiores a seus ancestrais? Eles tinham grãos maiores, cresciam em condições mais variadas e a colheita era mais fácil. Agora compreendemos a base cromossômica desses aperfeiçoamentos. O trigo triplo-híbrido contém os cromossomos de cada progenitor. Geneticamente, é uma fusão dos genomas de três espécies diferentes. Campo de trigo. Os geneticistas usam corantes para identificar cromossomos específicos e analisar suas estruturas. Os geneticistas estudam o número e a estrutura dos cromossomos por coloração das células em divisão com determinados corantes, seguida por exame microscópico. A análise de cromossomos corados é a principal atividade da especialidade chamada citogenética. A citogenética originou-se da pesquisa de vários biólogos europeus do século 20 que descobriram os cromossomos e observaram seu comportamento durante a mitose, a meiose e a fertilização. Essa pesquisa prosperou durante o século 20, com o surgimento de microscópios aperfeiçoados e de melhores procedimentos de preparo e coloração dos cromossomos. A demonstração de que os genes estão localizados nos cromossomos fomentou o interesse nessa pesquisa e levou a importantes estudos sobre o número e a estrutura dos cromossomos. Hoje, há aplicação de importantes conhecimentos citogenéticos, principalmente na medicina, em que são usados para identificar a associação entre doenças e anormalidades cromossômicas. Os pesquisadores empregam células em divisão, geralmente no meio da mitose, na maioria das análises citológicas. Para aumentar o número de células nesse estágio, costumavam usar material em crescimento, como embriões de animais e extremidades das raízes dos vegetais. O desenvolvimento de técnicas de cultura celular, porém, tornou possível estudar cromossomos em outros tipos de células (Figura 6.1). Por exemplo, leucócitos humanos podem ser coletados do sangue periférico, separados das hemácias – que não se dividem – e cultivados. Em seguida, estimula-se a divisão dos leucócitos por tratamento químico e, no meio da divisão, prepara-se uma amostra das células para análise citológica. O procedimento habitual é tratar as células em divisão com uma substância química que desative o fuso mitótico. Essa interferência captura os cromossomos em mitose, quando é mais fácil observá-los. As células cuja mitose foi interrompida são imersas em solução hipotônica, o que faz com que absorvam água por osmose e aumentem de volume. O conteúdo de cada célula é diluído pela água que entra, de maneira que os cromossomos se dispersam livremente quando elas são comprimidas sobre uma lâmina de microscópio. Essa técnica facilita muito a análise subsequente, sobretudo se houver grande número de cromossomos. Durante muitos anos acreditou-se erroneamente que as células humanas continham 48 cromossomos. O número correto, 46, só foi determinado depois do uso da técnica de aumento do volume celular para separar os cromossomos dentro de cada célula mitótica. Para mais detalhes, ver Marcos da genética | Tjio e Lenan contam corretamente os cromossomos humanos, disponível on-line. Até o fim da década de 1960 e o início da década de 1970, as dispersões cromossômicas geralmente eram coradas com reagente de Feulgen, corante roxo que reage com as moléculas de açúcar no DNA, ou com acetocarmim, um corante vermelho-escuro. Como esses tipos de corantes tingem uniformemente os cromossomos, é impossível para o pesquisador distinguir um cromossomo do outro, a menos que os cromossomos sejam muito diferentes em tamanho ou nas posições de seus centrômeros. Atualmente, os citogeneticistas usam corantes que fazem o tingimento diferencial dos cromossomos ao longo de seus comprimentos. A quinacrina, substância química semelhante ao antimalárico quinina, foi um dos primeiros reagentes com maior capacidade de discriminação. Os cromossomos corados com quinacrina têm um padrão característico de faixas brilhantes sobre fundo escuro. No entanto, como a quinacrina é uma substância fluorescente, as faixas só aparecem quando os cromossomos são expostos à luz ultravioleta (UV). A irradiação ultravioleta faz com que algumas das moléculas de quinacrina inseridas no cromossomo emitam energia. Partes do cromossomo emitem brilho intenso, enquanto outras continuam escuras. Esse padrão de faixas brilhantes e escuras é altamente reproduzível e também é específico de cada cromossomo (Figura 6.2). Desse modo, com o bandeamento com quinacrina, os citogeneticistas são capazes de identificar cromossomos específicos em uma célula e também de identificar anormalidades na estrutura de um cromossomo, por exemplo, a ausência de algumas bandas. FIGURA 6.1 Preparo de células para análise citológica. FIGURA 6.2 Cromossomos metafásicos da planta Allium carinatum, corados com quinacrina. Também foram desenvolvidas excelentes técnicas de coloração não fluorescente. A mais popular usa o Giemsa, mistura de corantes que recebeu esse nome em homenagem ao seu inventor, Gustav Giemsa. Antes de ser corados com Giemsa, os cromossomos são tratados com tripsina, uma enzima que remove algumas proteínas associadas com os cromossomos. O corante Giemsa interage com as proteínas restantes, que se distribuem de modo característico ao longo do comprimento de cada cromossomo. O resultado é um padrão reproduzível de bandas (Figura 6.3). A técnica mais avançada usada por citogeneticistas atualmente é a pintura cromossômica. Essa técnica cria imagens coloridas dos cromossomos pelo tratamento das dispersões cromossômicas com fragmentos de DNA, isolados e caracterizados em laboratório. Esse fragmento pode, por exemplo, pertencer a um gene específico. O fragmento do DNA é marcado quimicamente com um corante fluorescente no laboratório e, depois, aplicado aos cromossomos dispersos sobre uma lâmina de vidro. Em condições adequadas, o fragmento de DNA se liga ao DNA cromossômico cuja sequência é complementar à dele. Essa ligação, na verdade, marca o DNA cromossômico com o corante fluorescente presente no fragmento de DNA. Em vista da natureza específica da interação entre o fragmento de DNA e o DNA complementar nos cromossomos, geralmente chamamos o fragmento de DNA de sonda. Depois da ligação da sonda a seu DNA complementar, as dispersões cromossômicas são irradiadas com luz de comprimento de onda apropriado. As faixas ou pontos de cor observados revelam onde está localizada a sequência de DNA complementar – o alvo da sonda – nos cromossomos. A Figura 6.4 mostra cromossomos humanos analisados por essa técnica. Os cromossomos foram pintados simultaneamente com dois fragmentos diferentes de DNA humano, cada um deles marcado com um corante fluorescente de cor diferente. Um dos fragmentos liga-se de maneirahomólogo (Figura 6.8). Uma possibilidade é de que haja pareamento de dois homólogos ao longo de todo o comprimento, deixando o terceiro sem par; esse cromossomo solitário é denominado univalente. Outra possibilidade é a sinapse dos três homólogos, formando um trivalente, no qual há pareamento parcial de cada membro com os dois outros. Ambos os casos gerarão células aneuploides quando os cromossomos se separarem durante a anáfase da primeira divisão meiótica. Uma vez que esse problema se aplica a cada trio de cromossomos na célula, o número total de cromossomos nos gametas de uma espécie triploide será amplamente variado, sendo a maioria aneuploide. FIGURA 6.7 Vegetais poliploides de significado agrícola ou hortícola: A. crisântemo (tetraploide), B. morango (octaploide), C. algodão (tetraploide), D. banana (triploide). FIGURA 6.8 Meiose em organismo triploide. A. Formação univalente. Sinapse de dois dos três homólogos, deixando um univalente livre para se deslocar até um dos polos durante a anáfase. B. Formação trivalente. Sinapse dos três homólogos, formando um trivalente, que pode também levar a células aneuploides quando os cromossomos se separam durante a anáfase da meiose I. É quase certa a morte dos zigotos formados por fertilização desses gametas; assim, a maioria dos triploides é totalmente estéril. Na agricultura e na horticultura, essa esterilidade é contornada pela propagação assexuada das espécies. Os muitos métodos de propagação assexuada incluem cultivo a partir de estacas (bananas), enxertos (maçãs Winesap, Gravenstein e Baldwin) e bulbos (tulipas). Na natureza, as plantas poliploides também podem se reproduzir de maneira assexuada. Um mecanismo é a apomixia, no qual há meiose modificada com produção de oosferas não reduzidas; essas oosferas formam sementes que germinam e dão origem a novas plantas. O dente-de-leão, uma planta poliploide muito produtiva, reproduz-se dessa maneira. As incertezas meióticas que ocorrem em triploides também ocorrem em tetraploides, que têm quatro conjuntos idênticos de cromossomos e, portanto, também são estéreis. Alguns tetraploides, porém, são capazes de gerar prole viável. O exame atento mostra que essas espécies contêm dois conjuntos distintos de cromossomos e que cada conjunto foi duplicado. Assim, os tetraploides férteis parecem ter se originado por duplicação cromossômica em híbrido produzido pelo cruzamento de duas espécies diploides diferentes, mas aparentadas; na maioria das vezes, essas espécies têm números de cromossomos iguais ou muito semelhantes. A Figura 6.9 mostra um mecanismo plausível para a origem desse tetraploide. Dois organismos diploides, A e B, são cruzados e produzem um híbrido que recebe um conjunto de cromossomos de cada espécie parental. Esse híbrido provavelmente será estéril porque não é possível o pareamento dos cromossomos A e B. Contudo, se houver duplicação dos cromossomos desse híbrido, a meiose prosseguirá em ordem razoável. Cada cromossomo A e B poderá formar par com um homólogo perfeito. Assim, a segregação meiótica é capaz de produzir gametas com um conjunto completo de cromossomos A e B. Na fertilização, há união desses gametas “diploides” e formação de zigotos tetraploides, que sobrevivem em razão do equilíbrio de cada conjunto parental de cromossomos. Evidentemente, essa situação de hibridização entre espécies diferentes, mas relacionadas, seguida por duplicação dos cromossomos ocorreu muitas vezes durante a evolução dos vegetais. Em alguns casos, o processo ocorreu repetidas vezes, gerando poliploides complexos com diferentes conjuntos de cromossomos. Um dos melhores exemplos é o trigo moderno, Triticum aestivum (Figura 6.10). Essa importante espécie agrícola é um hexaploide que contém três diferentes conjuntos de cromossomos, todos duplicados. Cada conjunto tem sete cromossomos, com um total de 21 nos gametas e 42 nas células somáticas. Assim, como observamos no início deste capítulo, o trigo moderno parece ter sido formado por dois eventos de hibridização. O primeiro foi a combinação de duas espécies diploides com formação de um organismo tetraploide, e o segundo foi a combinação desse tetraploide com outro diploide e a formação de um hexaploide. Os citogeneticistas identificaram cereais primitivos no Oriente Médio que podem ter participado desse processo evolutivo. Em 2010, grande parte do DNA do genoma do trigo foi sequenciada. Esse genoma é muito grande, corresponde a aproximadamente o quíntuplo do tamanho do genoma humano. A análise de todas essas sequências de DNA ajudará a compreender a história evolutiva do trigo. FIGURA 6.9 Origem de um tetraploide fértil por hibridização de dois organismos diploides e subsequente duplicação dos cromossomos. Por ser menor a probabilidade de que cromossomos de espécies diferentes interfiram na segregação um do outro durante a meiose, é muito maior a chance de fertilidade de poliploides originados de hibridizações entre espécies diferentes que a de poliploides originados da duplicação de cromossomos de uma única espécie. Os poliploides criados por hibridização entre diferentes espécies são denominados alopoliploides (prefixo de origem grega que significa “outro”); nesses poliploides, os genomas formadores são qualitativamente diferentes. Os poliploides criados por duplicação de cromossomos na mesma espécie são denominados autopoliploides (prefixo de origem grega que significa “próprio”); nesses poliploides, houve multiplicação de um genoma para criar conjuntos extras de cromossomos. FIGURA 6.10 Origem do trigo hexaploide por hibridização sequencial de diferentes espécies. Cada hibridização é seguida por duplicação dos cromossomos. Em cada espécie e em cada híbrido, n é o número de cromossomos nos gametas. Em cada zigoto, n é o número total de cromossomos herdados dos genitores. A duplicação dos cromossomos é um processo essencial na formação de poliploides. Um possível mecanismo é a entrada da célula em mitose sem que haja citocinese. Essa célula terá o dobro do número habitual de cromossomos. Por meio de divisões subsequentes, pode originar um clone de células poliploides, que contribuiriam para a propagação assexuada do organismo ou para a formação de gametas. Em vegetais, é preciso lembrar que a linhagem germinativa não é separada no início do desenvolvimento, como ocorre em animais. Na verdade, os tecidos reprodutivos só se diferenciam depois de muitos ciclos de divisão celular. Se houve duplicação acidental dos cromossomos durante uma dessas divisões celulares, os tecidos reprodutivos desenvolvidos mais tarde podem ser poliploides. Outra possibilidade é a alteração da meiose de maneira a produzir gametas não reduzidos (com o dobro do número normal de cromossomos). Se esses gametas participarem da fertilização, os zigotos serão poliploides. Esses zigotos podem dar origem a organismos maduros que, dependendo da natureza da poliploidia, podem ser capazes de produzir gametas. Para compreender melhor essas possibilidades, solucione o problema no boxe Resolva | Pareamento de cromossomos em poliploides. Em alguns organismos, determinados tecidos tornam-se poliploides durante o desenvolvimento. A poliploidização provavelmente é uma resposta à necessidade de várias cópias de cada cromossomo e dos genes nele existentes. A endomitose, processo que produz células poliploides, requer duplicação do cromossomo, seguida por separação das cromátides-irmãs resultantes. No entanto, por não haver divisão celular associada, ocorre acúmulo de cromossomos 1. 2. extranumerários no núcleo. No fígado e no rim humanos, por exemplo, um ciclo de endomitose produz células tetraploides. Às vezes, a poliploidização ocorre sem a separação das cromátides-irmãs. Nesses casos, os cromossomos duplicados acumulam-se próximo uns dos outros, formando um feixe de filamentos paralelos alinhados. Os cromossomos resultantes são denominados politênicos, termo derivado do grego, que significa “muitos filamentos”. Os exemplos mais espetaculares de cromossomos politênicos são encontradosnas glândulas salivares de larvas de Drosophila. Cada cromossomo passa por nove ciclos de replicação, produzindo um total aproximado de 500 cópias em cada célula. Há pareamento compacto de todas as cópias com a formação de um feixe espesso de fibras de cromatina. Esse feixe é tão grande que pode ser visto sob pequeno aumento ao microscópio de dissecção. A diferença de espiralamento ao longo do comprimento do feixe causa variação na densidade da cromatina. Quando se aplicam corantes a esses cromossomos, a cor é mais intensa na cromatina mais densa, criando um padrão de faixas claras e escuras (Figura 6.11). Esse padrão tem alta reprodutibilidade, permitindo a análise detalhada da estrutura do cromossomo. Os cromossomos politênicos de Drosophila apresentam duas outras características: Pareamento de cromossomos politênicos homólogos. Normalmente, pensamos no pareamento como uma propriedade dos cromossomos meióticos; mas também há pareamento dos cromossomos somáticos em muitas espécies de insetos, provavelmente um recurso para organizar os cromossomos no núcleo. Quando há pareamento dos cromossomos politênicos de Drosophila, os grandes feixes de cromatina tornam-se ainda maiores. Como esse pareamento é preciso – ponto a ponto ao longo da extensão do cromossomo – o alinhamento dos dois homólogos é perfeito. Desse modo, o alinhamento exato dos padrões de bandeamento de cada um deles torna quase impossível distinguir cada membro de um par. Todos os centrômeros de cromossomos politênicos de Drosophila condensam-se em um corpo denominado cromocentro. O material presente de cada lado dos centrômeros também é incluído nessa massa. O resultado é que os braços do cromossomo parecem sair do cromocentro. Esses braços, divididos em faixas, consistem em eucromatina, a porção do cromossomo que contém a maioria dos genes; o cromocentro é constituído de heterocromatina, material com poucos genes que circunda o centrômero. Ao contrário dos braços eucromáticos do cromossomo, essa heterocromatina cêntrica não se torna politênica. Assim, replica-se muito menos que a eucromatina. Na década de 1930, C. B. Bridges publicou desenhos detalhados dos cromossomos politênicos (Figura 6.12). Ele dividiu arbitrariamente cada cromossomo em seções, que numerou; depois, dividiu cada seção em subseções, designadas pelas letras A a F. Dentro de cada subseção, Bridges enumerou todas as faixas escuras, criando um repertório alfanumérico de sítios ao longo do comprimento de cada cromossomo. O sistema alfanumérico de Bridges ainda é usado atualmente para descrever as características desses cromossomos excepcionais. ■ ■ FIGURA 6.11 Cromossomos politênicos de Drosophila. FIGURA 6.12 Mapas de cromossomo politênico de Bridges. (Acima) Padrão de bandeamento do cromossomo X politênico. O cromossomo é dividido em 20 seções numeradas. (Abaixo) Imagem detalhada da extremidade esquerda do cromossomo X politênico mostrando o sistema de Bridges para designar cada banda. Os cromossomos politênicos de Drosophila são retidos na intérfase do ciclo celular. Assim, embora a maioria das análises citológicas seja feita em cromossomos mitóticos, as análises mais completas e detalhadas são realizadas em cromossomos interfásicos politenizados. Esses cromossomos são encontrados em muitas espécies da ordem de insetos Diptera, inclusive em moscas e mosquitos. Infelizmente, os seres humanos não têm cromossomos politênicos; assim, a análise citológica de alta resolução que é possível em Drosophila não é possível em nossa própria espécie. ■ ■ A representação insuficiente ou excessiva de um cromossomo ou um segmento de cromossomo pode afetar o fenótipo. Aneuploidia é a alteração numérica de parte do genoma, geralmente a alteração na dose de um único cromossomo. Indivíduos que têm um cromossomo a mais, um cromossomo a menos ou uma combinação dessas anomalias são aneuploides. Essa definição também inclui segmentos de cromossomos. Assim, um indivíduo com deleção do braço de um cromossomo também é considerado aneuploide. A aneuploidia foi estudada originalmente em vegetais, nos quais se demonstrou que o desequilíbrio cromossômico geralmente tem efeito fenotípico. O estudo clássico foi o de Albert Blakeslee e John Belling, que analisaram anomalias cromossômicas no estramônio, Datura stramonium. Essa espécie diploide tem 12 pares de cromossomos, com um total de 24 cromossomos nas células somáticas. Blakeslee colheu plantas com fenótipo alterado e descobriu que em alguns casos a herança dos fenótipos era irregular. Aparentemente, esses mutantes peculiares eram causados por fatores dominantes transmitidos principalmente pela planta do sexo feminino. Examinando os cromossomos das plantas mutantes, Belling constatou a presença de um cromossomo extranumerário em todos os casos. A análise detalhada verificou que o cromossomo extra era diferente em cada linhagem mutante. Ao todo, eram 12 mutantes diferentes, cada um deles correspondente à triplicação de um dos cromossomos de Datura (Figura 6.13). Essas triplicações são chamadas trissomias. As irregularidades de transmissão desses mutantes eram consequência do comportamento anômalo do cromossomo durante a meiose. Belling também descobriu o motivo da transmissão preferencial dos fenótipos trissômicos pelo sexo feminino. Durante o crescimento do tubo polínico, o pólen aneuploide – em especial, o pólen com n + 1 cromossomos – não compete bem com o pólen euploide. Desse modo, vegetais trissômicos quase sempre herdam o cromossomo extra do genitor de sexo feminino. O trabalho de Belling com Datura demonstrou a necessidade de que cada cromossomo esteja presente na dose apropriada para o crescimento e o desenvolvimento normais. FIGURA 6.13 Cápsulas de semente de Datura stramonium normal e trissômico. A figura mostra todas as 12 trissomias. Desde o trabalho de Belling, identificaram-se aneuploides em muitas espécies, inclusive a nossa. Um organismo com ausência de um cromossomo, ou um segmento de cromossomo, é hipoploide (prefixo grego que significa “abaixo”). Um organismo com um cromossomo, ou um segmento de cromossomo, a mais é hiperploide (prefixo grego que significa “acima”). Esses termos abrangem uma grande variedade de anormalidades. A anormalidade cromossômica mais conhecida e mais comum em seres humanos é a síndrome de Down, distúrbio causado por um cromossomo 21 extranumerário (Figura 6.14 A). Essa síndrome foi descrita pela primeira vez em 1866, por Langdon Down, médico britânico, mas a base cromossômica só foi compreendida com clareza em 1959. As pessoas com síndrome de Down geralmente são baixas e têm hipermobilidade articular, sobretudo nos tornozelos, crânio largo, narinas amplas, língua grande com sulcos característicos, mãos curtas e largas com prega palmar e comprometimento mental. A expectativa de vida das pessoas com síndrome de Down é muito menor que das outras pessoas. Além disso, quase sempre elas desenvolvem doença de Alzheimer, um tipo de demência bastante comum em idosos. As pessoas com síndrome de Down, porém, desenvolvem essa doença na quarta ou quinta década de vida, muito mais cedo que as outras pessoas. FIGURA 6.14 Síndrome de Down. A. Menina com síndrome de Down. B. Cariótipo de uma criança com síndrome de Down, mostrando trissomia do cromossomo 21 (47, XX, +21). O cromossomo 21 a mais na síndrome de Down é um exemplo de trissomia. A Figura 6.14 B mostra o cariótipo de uma paciente com síndrome de Down. Existem ao todo 47 cromossomos, entre eles dois cromossomos X além do cromossomo 21 extra. Portanto, o cariótipo é 47, XX, +21. A trissomia do 21 pode ser causada por não disjunção do cromossomo em uma das divisões meióticas (Figura 6.15). O evento de não disjunção pode ocorrer em qualquer um dos pais, porém é mais provável no sexo feminino. Além disso, a frequência de não disjunção aumenta com a idade materna. Assim, nas mulheres com menos de 25 anos, o risco de ter um filho com síndrome de Down é de aproximadamente 1 em 1.500, enquanto nas mulheres de 40 anos, é de 1 em 100. Esse aumentodo risco é causado por fatores que afetam adversamente o comportamento meiótico do cromossomo à medida que a mulher envelhece. Nas mulheres, a meiose começa na vida fetal, mas só é concluída depois da fertilização do ovócito. Durante o longo período antes da fertilização, as células meióticas permanecem na prófase da primeira divisão. Nesse estado de pausa, os cromossomos podem perder o par. Quanto maior é a duração da prófase, maior é a chance de que não haja pareamento nem disjunção subsequente do cromossomo. Portanto, as mulheres mais velhas são mais propensas a produzir ovócitos aneuploides. Também há relato de trissomias dos cromossomos 13 e 18. No entanto, são raras, os indivíduos afetados apresentam anormalidades fenotípicas graves e vivem pouco, geralmente morrendo nas primeiras semanas de vida. Outra trissomia viável observada em seres humanos é o cariótipo triplo-X, 47, XXX. Esses indivíduos sobrevivem porque dois dos três cromossomos X são inativados, reduzindo a dose do cromossomo X, de maneira que se aproxime do nível normal de um. Os indivíduos triplo-X são do sexo feminino e têm fenótipo normal, ou quase; às vezes há leve comprometimento mental e diminuição da fertilidade. O cariótipo 47, XXY também é uma trissomia viável em seres humanos. Esses indivíduos têm três cromossomos sexuais, dois X e um Y. Têm fenótipo masculino, mas também podem apresentar algumas características sexuais secundárias femininas e geralmente são estéreis. Em 1942, H. F. Klinefelter descreveu as anormalidades associadas a esse distúrbio, agora denominado síndrome de Klinefelter; inclui testículos pequenos, mamas aumentadas, membros longos, genuvalgo e menor desenvolvimento dos pelos corporais. O cariótipo XXY pode originar-se pela fertilização de um ovócito excepcional XX por um espermatozoide Y ou pela fertilização de um ovócito X por um espermatozoide excepcional XY. O cariótipo XXY representa cerca de três quartos de todos os casos de síndrome de Klinefelter. Outros casos têm cariótipos mais complexos, como XXYY, XXXY, XXXYY, XXXXY, XXXXYY e XXXXXY. Todos os indivíduos com síndrome de Klinefelter têm um ou mais corpúsculos de Barr nas células, e aqueles que têm mais de dois cromossomos X geralmente têm algum grau de comprometimento mental. O cariótipo 47, XYY é outra trissomia viável em seres humanos. Esses indivíduos são do sexo masculino e, exceto pela tendência a serem mais altos que os homens 46, XY, não apresentam uma síndrome constante de características. Todas as outras trissomias em seres humanos são letais no período embrionário, mostrando a importância da dose correta do gene. Ao contrário do que ocorre em Datura, no qual todas as trissomias possíveis são viáveis, os seres humanos não toleram muitos tipos de desequilíbrio cromossômico (Tabela 6.1). FIGURA 6.15 A não disjunção meiótica do cromossomo 21 e a origem da síndrome de Down. A não disjunção na meiose I produz gametas anormais, que ou têm duas cópias do cromossomo 21 (duplo-21) ou não têm nenhuma cópia desse cromossomo (nulo-21). A não disjunção na meiose II produz um gameta com dois cromossomos-irmãos idênticos (duplo-21) e um gameta sem cromossomo 21 (nulo-21). A monossomia ocorre quando há ausência de um cromossomo em indivíduo diploide. Em seres humanos, só existe um monossômico viável, o cariótipo 45, X. Esses indivíduos têm um só cromossomo X e um complemento diploide de autossomos. O fenótipo é feminino, mas, por terem ovários rudimentares, são quase sempre estéreis. Os indivíduos 45, X geralmente são baixos; têm pescoço alado, deficiência auditiva e anormalidades cardiovasculares significativas. Henry H. Turner foi o primeiro a descrever o distúrbio em 1938; por isso, agora é denominado síndrome de Turner. Os indivíduos 45, X podem originar-se de ovócitos ou espermatozoides sem um cromossomo sexual ou da perda de um cromossomo sexual na mitose algum tempo depois da fertilização (Figura 6.16). Essa última possibilidade é respaldada pela constatação de que muitos indivíduos com síndrome de Turner são mosaicos somáticos. Essas pessoas têm dois tipos de células no corpo; algumas são 45, X e outras, 46, XX. Obviamente, esse mosaicismo do cariótipo surge quando há perda de um cromossomo X durante o desenvolvimento de um zigoto 46, XX. Todos os descendentes da célula em que houve perda são 45, X. Se a perda ocorrer no início do desenvolvimento, uma fração considerável das células do corpo será aneuploide e o indivíduo apresentará características de síndrome de Turner. Se a perda ocorrer mais tarde, a população de células aneuploides será menor, e a intensidade da síndrome tende a ser menor. Veja a análise dos procedimentos usados para detectar aneuploidia em fetos humanos no boxe Em foco | Amniocentese e biopsia de vilosidades coriônicas, disponível on-line. Os mosaicos de cromossomos XX/XO também ocorrem em Drosophila, na qual produzem um fenótipo curioso. Como nessa espécie o sexo é determinado pela proporção entre o número de cromossomos X e de autossomos, essas moscas são, em parte, fêmeas e, em parte, machos. As células XX desenvolvem-se na direção feminina, e as células XO desenvolvem-se na direção masculina. Moscas com estruturas masculinas e femininas são ginandromorfos (derivado das palavras gregas que significam “mulher”, “homem” e “forma”). As pessoas com cariótipo 45, X não têm corpúsculos de Barr nas células, indicando que o único cromossomo X presente não foi inativado. Por que, então, as pacientes com síndrome de Turner, que têm o mesmo número de cromossomos X ativos que as mulheres XX normais, têm anormalidades fenotípicas? A resposta provável é que um pequeno número de genes permanece ativo nos dois cromossomos X em mulheres 46, XX normais. Aparentemente, esses genes não inativados são necessários em dose dupla para o crescimento e o desenvolvimento apropriados. A constatação de que pelo menos alguns desses genes especiais ligados ao X também estão presentes no cromossomo Y explicaria por que os homens XY crescem e se desenvolvem normalmente. Além disso, o cromossomo X que foi inativado nas mulheres 46, XX é reativado durante a ovocitogênese. Curiosamente, o análogo do cariótipo de Turner XO no camundongo não causa anormalidades anatômicas. Esse achado significa que os homólogos no camundongo dos genes humanos implicados na síndrome de Turner precisam estar presentes em apenas uma cópia para o crescimento e o desenvolvimento normais. Para investigar a origem do cariótipo da síndrome de Turner XO, acompanhe o exercício do boxe Problema resolvido | Detecção da não disjunção de cromossomos sexuais. FIGURA 6.16 Origem do cariótipo da síndrome de Turner na fertilização (A) ou na clivagem após a fertilização (B). A ausência de um segmento cromossômico é denominada deleção ou deficiência. Grandes deleções podem ser detectadas citologicamente por estudo dos padrões de bandeamento em cromossomos corados, mas as pequenas, não. Em um organismo diploide, a deleção de um segmento cromossômico faz parte do genoma hipoploide. Essa hipoploidia pode estar associada a um efeito fenotípico, principalmente se a deleção for grande. Um exemplo clássico é a síndrome do miado do gato, também conhecida como síndrome cri-du-chat (do francês, “miado de gato”) em seres humanos (Figura 6.17). Esse distúrbio é causado por deleção no braço curto do cromossomo 5. O tamanho da deleção varia. Indivíduos heterozigotos para a deleção e um cromossomo normal têm o cariótipo 46 del(5)(p14), no qual os termos entre parênteses indicam a ausência de bandas na região 14 do braço curto (p) de um dos cromossomos 5. Esses indivíduos podem apresentar grave comprometimento mental e físico; o choro queixoso, semelhante ao miado de gato na infância, dá nome à síndrome. FIGURA 6.17 Cariótipo de mulher com síndrome cri-du-chat, 46 XX del(5)(p14). Há deleção do braço curto de um dos cromossomos 5. O detalhe mostra os dois cromossomos 5 marcados com uma sonda fluorescente gene-específica. O cromossomo à esquerda ligou-se à sonda porque tem esse gene específico,ao passo que o cromossomo à direita não se ligou à sonda porque houve deleção do gene e do material ao seu redor. Figura 6.16 A presença de um segmento cromossômico extra é denominada duplicação. O segmento extra pode estar unido a um dos cromossomos ou pode constituir um novo cromossomo separado, ou seja, uma “duplicação livre”. O efeito é o mesmo nos dois casos: o organismo é hiperploide em relação a parte de seu genoma. A exemplo do que ocorre nas deleções, essa hiperploidia pode estar associada a um efeito fenotípico. As deleções e duplicações são dois tipos de aberrações na estrutura do cromossomo. As grandes aberrações podem ser detectadas por exame dos cromossomos mitóticos corados por agentes de bandeamento como quinacrina ou Giemsa. No entanto, é difícil detectar pequenas aberrações dessa forma, que geralmente são identificadas por outras técnicas genéticas e moleculares. O organismo mais adequado para estudo de deleções e duplicações é Drosophila, cujos cromossomos politênicos garantem uma oportunidade ímpar de análise citológica detalhada. A Figura 6.18 B mostra deleção em um dos dois cromossomos homólogos pareados na glândula salivar de Drosophila. Em vista da leve separação dos dois cromossomos, é possível perceber a ausência de uma pequena região no cromossomo inferior. Os segmentos duplicados também podem ser reconhecidos nos cromossomos politênicos. A Figura 6.18 C mostra duplicação consecutiva (em tandem) de um segmento no meio do cromossomo X de Drosophila. O pareamento entre as cópias consecutivas desse segmento faz com que pareça haver um nó no meio dos cromossomos. A mutação Bar (barra) do olho em Drosophila está associada a uma duplicação consecutiva (Figura 6.19). Essa mutação dominante ligada ao X altera o tamanho e o formato dos olhos compostos, que deixam de ser estruturas esféricas grandes e se transformam em barras estreitas. Na década de 1930, C. B. Bridges analisou cromossomos X com a mutação Bar e constatou que a região 16A, que aparentemente continha um gene para formato do olho, havia passado por duplicação consecutiva. Também foram observadas triplicações consecutivas de 16A, e nesses casos o olho composto era pequeníssimo – um fenótipo denominado barra dupla. Portanto, a intensidade do fenótipo mutante do olho está relacionada com o número de cópias da região 16A – sinal claro da importância da dose do gene na determinação de um fenótipo. Muitas outras duplicações consecutivas foram encontradas em Drosophila, na qual a análise de cromossomos politênicos torna a detecção relativamente fácil. Hoje, as técnicas moleculares tornaram possível detectar duplicações consecutivas muito pequenas em uma grande variedade de organismos. Por exemplo, os genes que codificam as proteínas da hemoglobina passaram por duplicação consecutiva em mamíferos (Capítulo 18). As duplicações gênicas parecem ser relativamente comuns e garantem variação significativa para a evolução. FIGURA 6.18 Cromossomos politênicos mostrando (A) a estrutura normal das regiões 6 e 7 no meio do cromossomo X de Drosophila, (B) heterozigoto com deleção da região 6F-7C em um dos cromossomos (seta) e (C) um cromossomo X mostrando uma duplicação consecutiva (em tandem) invertida da região 6F-7C. Em (B) as bandas proeminentes nas regiões 7A e 7C estão presentes no cromossomo superior, mas ausentes no inferior, indicando que o cromossomo inferior sofreu uma deleção. Em (C) a sequência duplicada é 7C, 7B, 7A, 7A, 7B, 7C da esquerda para a direita. ■ ■ FIGURA 6.19 Efeitos das duplicações da região 16A do cromossomo X no tamanho dos olhos em Drosophila. Um cromossomo pode sofrer rearranjo interno ou se unir a outro cromossomo. Na natureza há considerável variação no número e na estrutura de cromossomos, mesmo entre organismos muito próximos. Por exemplo, a Drosophila melanogaster tem quatro pares de cromossomos, que incluem um par de cromossomos sexuais, dois pares de autossomos metacêntricos grandes – cromossomos com o centrômero no meio – e um par de pequenos autossomos puntiformes. A Drosophila virilis, cujo parentesco não é muito distante, tem um par de cromossomos sexuais, quatro pares de autossomos acrocêntricos – cromossomos com o centrômero perto de uma extremidade – e um par de autossomos puntiformes. Portanto, as espécies, ainda que do mesmo gênero, podem ter diferentes arranjos dos cromossomos. Essas diferenças indicam o rearranjo do genoma ao longo do processo de evolução. Na verdade, a observação de que é possível encontrar rearranjos cromossômicos como variantes em uma mesma espécie sugere que há reformulação contínua do genoma. Esses rearranjos podem modificar a posição de um segmento do cromossomo, ou podem unir segmentos de diferentes cromossomos. De uma forma ou de outra, a ordem dos genes é alterada. Os citogeneticistas identificaram muitos tipos de rearranjos cromossômicos. Aqui analisamos dois tipos: inversão, que é a mudança de orientação de um segmento em um cromossomo, e translocação, que é a fusão de segmentos de diferentes cromossomos. Em seres humanos, os rearranjos cromossômicos têm significado médico porque alguns predispõem ao desenvolvimento de certos tipos de câncer. Abordamos esses tipos de rearranjos, e sua relação com o câncer, no Capítulo 23, disponível on-line. A inversão ocorre quando um segmento do cromossomo se desprende, gira cerca de 180° e se fixa novamente ao restante do cromossomo; logo, há uma inversão da ordem dos genes no segmento. Esses rearranjos podem ser induzidos no laboratório com raios X, que fragmentam os cromossomos. Às vezes, os fragmentos se fixam novamente, mas durante o processo um segmento gira e há uma inversão. Também há evidências de inversões naturais por atividade de elementos transponíveis – sequências de DNA capazes de mudar de posição no cromossomo (Capítulo 21, disponível on-line). Às vezes, durante o deslocamento, esses elementos quebram o cromossomo em fragmentos, que voltam a se unir de maneira anômala, produzindo uma inversão. As inversões também podem ser provocadas pela reunião de fragmentos do cromossomo gerados por cisalhamento mecânico, talvez em razão do entrelaçamento de cromossomos no núcleo. Ninguém sabe ao certo que fração das inversões naturais é causada por cada um desses mecanismos. Os citogeneticistas distinguem dois tipos de inversões observando se o segmento invertido inclui ou não o centrômero do cromossomo (Figura 6.20). As inversões pericêntricas incluem o centrômero e as inversões paracêntricas, não. A consequência disso é que uma inversão pericêntrica pode alterar os comprimentos relativos dos dois braços do cromossomo, enquanto a inversão paracêntrica não tem esse efeito. Assim, se um cromossomo acrocêntrico sofre uma inversão com um ponto de quebra em cada braço (i. e., uma inversão pericêntrica), pode ser transformado em um cromossomo metacêntrico. Mas se um cromossomo acrocêntrico sofre uma inversão em que as duas quebras estão no braço longo (i. e., uma inversão paracêntrica), a morfologia do cromossomo não se altera. Desse modo, com o uso de métodos citológicos padronizados, é muito mais fácil detectar inversões pericêntricas que paracêntricas. Um indivíduo no qual há inversão de um cromossomo, mas não de seu homólogo, é um heterozigoto para inversão. Durante a meiose, há pareamento ponto a ponto dos cromossomos invertido e não invertido ao longo de seu comprimento. Entretanto, por causa da inversão, os cromossomos precisam formar uma alça para permitir o pareamento na região em que a ordem dos genes foi invertida. A Figura 6.21 mostra essa configuração de pareamento; apenas um cromossomo forma uma alça, e o outro se acomoda ao seu redor. Na prática, a alça para maximizar o pareamento pode surgir no cromossomo invertido ou no cromossomo não invertido. No entanto, perto das extremidades da inversão, os cromossomos são estendidos e há uma tendência à perda da sinapse. Abordamos as consequências genéticas da heterozigosidade para inversão no Capítulo 7. A translocação ocorre quando um segmento deum cromossomo se desprende e se une a outro cromossomo (i. e., não homólogo). O significado genético é a transferência dos genes de um cromossomo para outro. A troca de fragmentos de dois cromossomos não homólogos sem perda de material genético é denominada translocação recíproca. A Figura 6.22 A mostra uma translocação recíproca entre dois grandes autossomos. Três cromossomos trocaram trechos de seus braços direitos. Durante a meiose, espera-se que haja pareamento cruciforme entre esses cromossomos com translocação e seus homólogos sem translocação (Figura 6.22 B). Os dois cromossomos translocados ficam de frente um para o outro no centro da cruz, e os dois cromossomos não translocados fazem o mesmo; para maximizar o pareamento, os cromossomos translocados e não translocados alternam-se, formando os braços da cruz. Essa configuração de pareamento é diagnóstica de um heterozigoto para translocação. As células em que os cromossomos translocados são homozigotos não formam um padrão cruciforme. Em vez disso, há pareamento uniforme de cada cromossomo translocado com seu par de estrutura idêntica. FIGURA 6.20 Inversões pericêntrica e paracêntrica. O cromossomo foi quebrado em dois pontos, e o segmento entre eles foi invertido. Uma inversão pericêntrica (A) modifica o tamanho dos braços do cromossomo, porque o centrômero está incluído na inversão. Já na inversão paracêntrica (B) isso não ocorre, porque exclui o centrômero. FIGURA 6.21 Pareamento de cromossomos normais e invertidos. FIGURA 6.22 Estrutura e comportamento de pareamento de uma translocação recíproca entre cromossomos. Em (B) há pareamento durante a prófase da meiose I, depois da duplicação dos cromossomos. Como participam do pareamento cruciforme quatro centrômeros, cuja distribuição coordenada para polos opostos na primeira divisão meiótica pode ou não ocorrer, a disjunção do cromossomo em heterozigotos para translocação é um processo um tanto incerto, propenso a produzir gametas aneuploides. Ao todo, há três processos de disjunção possíveis, mostrados na Figura 6.23. Essa figura simplificada só mostra uma das duas cromátides-irmãs de cada cromossomo. Além disso, cada centrômero é identificado para que se possa acompanhar os movimentos do cromossomo; os dois centrômeros brancos são homólogos (i. e., derivados do mesmo par de cromossomos), do mesmo modo que os dois centrômeros cinza. Se os centrômeros 2 e 4 seguem para o mesmo polo, forçando o deslocamento de 1 e 3 para o polo oposto, todos os gametas resultantes serão aneuploides, porque alguns segmentos cromossômicos terão deficiência de genes, e outros serão duplicados (Figura 6.23 A). Da mesma maneira, se os centrômeros 1 e 2 vão para um polo e os centrômeros 3 e 4 vão para o outro, são produzidos apenas gametas aneuploides (Figura 6.23 B). Todos esses casos são denominados disjunção adjacente, porque os centrômeros que estavam próximos uns dos outros no padrão cruciforme foram para o mesmo polo. Quando os centrômeros que vão para o mesmo polo são de cromossomos diferentes (i. e., heterólogos), a disjunção é denominada adjacente I (Figura 6.23 A); quando os centrômeros que vão para o mesmo polo são do mesmo cromossomo (i. e., homólogos), a disjunção é denominada adjacente II (Figura 6.23 B). Outra possibilidade é a de que os centrômeros 1 e 4 sigam para o mesmo polo, forçando o deslocamento de 2 e 3 para o polo oposto. Esse caso, denominado disjunção alternada, produz apenas gametas euploides, embora metade deles tenha apenas cromossomos translocados (Figura 6.23 C). A produção de gametas aneuploides por disjunção adjacente explica por que os heterozigotos para translocação têm fertilidade reduzida. Quando esses gametas fertilizam um gameta euploide, o zigoto resultante é geneticamente desequilibrado e, portanto, é improvável que sobreviva. Em vegetais, muitas vezes os próprios gametas aneuploides são inviáveis, sobretudo do lado masculino, e são produzidos menos zigotos. Portanto, os heterozigotos para translocação são caracterizados por baixa fertilidade. Investigue esse efeito acompanhando o boxe Resolva | Aborto de pólen em heterozigotos para translocação. FIGURA 6.23 Tipos de disjunção em um heterozigoto para translocação durante a meiose I. Para simplificar, é mostrada apenas uma cromátide-irmã de cada cromossomo duplicado. A. Um tipo de disjunção adjacente no qual centrômeros homólogos seguem até polos opostos durante a anáfase. B. Outro tipo de disjunção adjacente no qual centrômeros homólogos seguem para o mesmo polo durante a anáfase. C. Disjunção alternada na qual centrômeros homólogos seguem até polos opostos durante a anáfase. Às vezes, um cromossomo funde-se ao seu homólogo, ou duas cromátides-irmãs se unem, formando uma unidade genética única. Um cromossomo composto pode ser estável em uma célula desde que tenha apenas um centrômero ativo; se houver dois centrômeros, cada um deles pode se mover para um polo diferente durante a divisão, separando o cromossomo composto. O cromossomo composto também pode ser formado pela união de segmentos de cromossomos homólogos. Por exemplo, os braços direitos dos dois segundos cromossomos em Drosophila poderiam se soltar dos braços esquerdos e se fundir no centrômero, criando um meio-cromossomo composto. Às vezes a citogenética chama essa estrutura de isocromossomo (do prefixo grego para “igual”), porque seus dois braços são equivalentes. A diferença entre o cromossomo composto e a translocação é que o primeiro é a fusão de segmentos de cromossomos homólogos. Já a translocação é a fusão de cromossomos não homólogos. O primeiro cromossomo composto foi descoberto em 1922 por Lillian Morgan, casada com T. H. Morgan. Esse cromossomo foi formado pela fusão de dois cromossomos X em Drosophila, criando um cromossomo X ligado ou X duplo. A descoberta foi feita por meio de experimentos genéticos, não por análise citológica. Lillian Morgan cruzou fêmeas homozigotas para uma mutação recessiva ligada ao X com machos de tipo selvagem. A partir desse cruzamento, seria de esperar que todas as fêmeas da prole fossem do tipo selvagem e os machos, mutantes. No entanto, Morgan observou exatamente o oposto: todas as fêmeas eram mutantes e todos os machos, de tipo selvagem. Outra pesquisa mostrou que os cromossomos X nas fêmeas mutantes haviam se ligado uns aos outros. A Figura 6.24 ilustra o significado genético dessa ligação. As fêmeas com X ligado produzem dois tipos de ovócitos, duplo-X e nulo-X, e os machos produzem dois tipos de espermatozoides, os que têm X e os que têm Y. A união desses gametas de todas as maneiras possíveis produz dois tipos de prole viável: fêmeas XXY mutantes, que herdam os cromossomos X ligados da mãe e um cromossomo Y do pai; e os machos XO de fenótipo selvagem, que herdam um cromossomo X do pai e não herdam cromossomo sexual da mãe. Já que o cromossomo Y é necessário para a fertilidade, esses machos XO são estéreis. Lillian Morgan conseguiu propagar os cromossomos X ligados por retrocruzamento de fêmeas XXY com machos XY de tipo selvagem de outro estoque. Por terem herdado um cromossomo Y da mãe, os machos nascidos desse cruzamento eram férteis e puderam ser cruzados com suas irmãs XXY para criar um estoque no qual os cromossomos X ligados foram permanentemente mantidos na linhagem feminina. FIGURA 6.24 Resultados de um cruzamento entre um macho normal e uma fêmea com cromossomos X ligados. ■ ■ ■ ■ 1. Os cromossomos não homólogos também podem se fundir em seus centrômeros, com criação de uma estrutura chamada translocação robertsoniana (Figura 6.25), em homenagem ao citologista F. W. Robertson. Por exemplo, a fusão de dois cromossomos acrocêntricos produz um cromossomo metacêntrico; os diminutos braços curtos dos cromossomos participantes são perdidos nesse processo. Ao que tudo indica, essas fusões de cromossomos foram bastante frequentes durante a evolução. FIGURA 6.25 Formação de uma translocação robertsoniana metacêntrica por permuta entre dois cromossomos acrocêntricos não homólogos. Tambémpode haver fusão terminoterminal dos cromossomos para formar uma estrutura com dois centrômeros. Se um dos centrômeros for inativado, a fusão dos cromossomos será estável. Essa fusão notavelmente ocorreu na evolução de nossa própria espécie. O cromossomo 2 humano, que é metacêntrico, tem braços que correspondem a dois cromossomos acrocêntricos nos genomas dos grandes primatas. A análise citológica detalhada mostrou que aparentemente as extremidades dos braços curtos desses dois cromossomos se fundiram para criar o cromossomo 2 humano. Uma espécie tem dois pares de cromossomos, um longo e outro curto. Desenhe os cromossomos na metáfase da mitose. Indique cada cromátide. Os cromossomos homólogos estão pareados? Resposta: A metáfase mitótica nessa espécie seria semelhante à mostrada na figura. Como cada cromossomo é duplicado, ele é constituído de duas cromátides-irmãs. No entanto, como a figura mostra a mitose, e não a meiose, não há pareamento dos cromossomos homólogos.pode haver fusão terminoterminal dos cromossomos para formar uma estrutura com dois centrômeros. Se um dos centrômeros for inativado, a fusão dos cromossomos será estável. Essa fusão notavelmente ocorreu na evolução de nossa própria espécie. O cromossomo 2 humano, que é metacêntrico, tem braços que correspondem a dois cromossomos acrocêntricos nos genomas dos grandes primatas. A análise citológica detalhada mostrou que aparentemente as extremidades dos braços curtos desses dois cromossomos se fundiram para criar o cromossomo 2 humano. Uma espécie tem dois pares de cromossomos, um longo e outro curto. Desenhe os cromossomos na metáfase da mitose. Indique cada cromátide. Os cromossomos homólogos estão pareados? Resposta: A metáfase mitótica nessa espécie seria semelhante à mostrada na figura. Como cada cromossomo é duplicado, ele é constituído de duas cromátides-irmãs. No entanto, como a figura mostra a mitose, e não a meiose, não há pareamento dos cromossomos homólogos.