Genética Básica para Zootecnia: Mutação e Consequências

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Disciplina de genética básica para o curso de Zootecnia
Mutações gênicas e cromossômicas e suas consequências
Introdução
A herança genética é baseada na transmissão fiel dos genes de uma geração à outra
por meio da reprodução. Estruturalmen te, a informação contida em cada gene é dada
por uma sequência de nucleotídeos da molécula de DNA - o material genético da
maioria dos organismos. Assim, cada par de bases da dupla fita de DNA precisa ser
copiada corretamente, para que a próxima geração continue expressando
adequadamente todos os genes que compõem o seu genoma.
Existem mecanismos - sistemas enzimáticos de revisão e de repardo de erros - que
garantem a manutenção e a transmissão fiel da informação genética de geração em
geração. Contudo, nenhum sistema biológico é perfeito o suficiente para garantir que
problema algum ocorra durante ou após a duplicação do DNA. Assim, as modificações
súbitas que ocorrem no material genético e que são passíveis de serem herdadas pelas
células filhas ou pelos descendentes são denominadas mutações.
O termo mutação pode se referir tanto à modificação do material genético quanto
ao processo que lhe deu origem.
E, um organismo que exiba um novo fenótipo como resultado de uma mutação é
chamado de mutante.
No esquema acima, devido a uma alteração química natural na citosina da molécula
molde de DNA, chamada de tautomeria de base, esta se torna capaz de se parear com
a adenina. Se essa mudança estrutural acontecer durante a duplicação do material
genético, uma base nitrogenada errada pode ser incorporada à fita nascente de DNA.
Se a citosina não retornar a sua forma química mais comum, antes do próximo ciclo de
replicação, esse pareamento errado não será corrigido e assim, a fita contendo a
adenina, ao servir de molde para a síntese de uma nova fita de DNA poderá incorporar
uma timinha, perpetuando tal alteração nessa molécula de DNA, que será herdada como
uma nova forma alélica para esse loco.
Porém, nem todas as mutações resultam em alteração no fenótipo de quem as herda.
Isso porque, a troca de um par de nucleotídeos no DNA pode não modificar o
aminoácido a ser incorporado no peptídeo (mutações silenciosas). E, em algumas
situações em que ocorre a troca, isso pode não alterar significativamente a atividade
desse peptídeo, uma vez que os aminoácidos trocados podem apresentar as mesmas
propriedades químicas (serem neutros, ácidos, básicos, hidrófobos etc).
 
Por outro lado, existem várias situações em que uma mutação acaba sendo prejudicial.
Por exemplo, quando ela leva a troca aminoácidos com propriedades químicas
diferentes em regiões importantes dos peptídeos, como em seus sítios ativos. Ou
quando resultam na inserção de um códon de término dentro da região codificadora do
peptídeo, o que acaba resultando em uma proteína mais curta e comumente não
funcional. 
Porém, mesmo sendo potencialmente prejudiciais, as mutações são a fonte primária de
toda a variação genética encontrada dentro das espécies:
Ou seja, sem mutação, cada gene seria exatamente idêntico em sua sequência
nucleotídica em todos os indivíduos de uma mesma espécie;
Portanto, não existiriam alelos, bem como nenhuma forma de estudá-los a partir de
cruzamentos dirigidos;
E, pior que isso, não haveria nenhuma possibilidade de se realizar o melhoramento
genético;
Portanto, não teríamos diferentes raças de animais, ou diferentes cultivares de
plantas, ou diferentes cepas de microrganismos e assim por diante.
As mutações podem ser divididas em: 
Mutação gênica: muitas mutações envolvem alterações em um único par de
bases numa determinada região do DNA (por exemplo, a substituição de um
par de bases por outro ou a duplicação ou deleção deste). Se esta mutação
ocorrer dentro de um gene, este pode mutar de uma forma alélica para outra.
Tal mudança que ocorre em um gene ou dentro dele é frequentemente
chamada de mutação de ponto. 
Mutação cromossômica: segmentos de cromossomos, cromossomos inteiros,
ou até conjuntos de cromossomos podem estar envolvidos em alterações
genéticas, tais como duplicações, translocações, deleções etc. A este
processo chamamos de mutação cromossômica. A mutação gênica não
está necessariamente envolvida em tal processo e os efeitos da mutação
cromossômica costumam ser devido aos novos arranjos dos cromosso mos e
dos genes que ele contém.
Consequências das mutações gênicas:
Os diferentes alelos de um loco surgem por mutação no DNA. Mutações podem
modificar a forma de expressão dos genes, resultando em alterações no fenótipo dos
organismos. Assim, alelos diferentes podem resultar em fenótipos diferentes, como
exemplificado na figura abaixo:
Neste exemplo, nos bovinos, o loco P é um dos genes relacionados com a cor da
pelagem. Neste caso, o alelo P determina a produção de um pigmento de cor preta na
pelagem (devido a produção da eumelanina) e o alelo p, um pigmento de cor vermelha
(devido a produção da feomelanina).
Exercício 1 - integrando mutação gênica, transcrição, tradução e
expressão gênica
Um touro campeão foi utilizado como doador de sêmen para três vacas distintas. O
bezerro do primeiro cruzamento nasceu tão saudável quanto os seus progenitores.
Entretanto, a novilha do segundo cruzamento apresentou um retardo considerável no
crescimento e o novilho do terceiro cruzamento morreu pouco após o nascimento.
Estudos mendelianos indicaram que esses animais apresentavam variação para um
gene (aqui representado pela letra "A") envolvido no desenvolvimento do animal, sendo
os genótipos dos progenitores e descendentes mostrados nos heredogramas dados
logo abaixo:
Intrigados com os resultados obtidos, pesquisadores foram chamados para
localizar e sequenciar esse gene. Parte da sequência onde se encontra uma
diferença significativa entre os três alelos desse gene é mostrada abaixo:
Diante das informações que você dispõe sobre o processo de transcrição e
tradução do material genético:
Determine as sequências dos RNAs mensageiros que serão produzidos a
partir desses três alelos.
Considerando que: (a) a síntese de RNA ocorre do sentido 5´→ 3´, (b)
que a fita de DNA que servirá de molde corre em sentido contrário ao da
direção da síntese do RNAm e (c) que a região promotora e o códon
AUG para a metionina indicam o local em que essa se inicia, teremos:
Alelo A¹ – RNAm: 5´– AUG-GCC-GGA-UCG-GUG-GGG-GAG – 3’
Alelo A² – RNAm: 5´– AUG-GCC-GGA-UCG-GUG-CGG-GAG – 3’
Alelo A³ – RNAm: 5´– AUG-GCC-UGA-UCG-GUG-GGG-GAG – 3´
 
Determine a sequência de aminoácidos que serão produzidas por esses três
RNAm:
Usando a regra de síntese peptídica, que segue o sentido 5´-> 3´
teremos:
Alelo A¹ – peptídeo: MET - ALA - GLY - SER - VAL - GLY - GLU
Alelo A² – peptídeo: MET - ALA - GLY - SER - VAL - ARG - GLU
Alelo A³ – peptídeo: MET - ALA
Compare os aminoácidos (veja lista nos anexos dessa apostila) incorporados
nesses três peptídeos (com relação a tamanho, carga elétrica, comprimento
do peptídeo, etc) e procure determinar porque os novilhos apresentaram
desde um fenótipo normal até uma situação de morte pós-natal:
Comparando os alelos A¹ e A², percebemos que houve apenas troca do
5° aminoácido no peptídeo (uma glicina por uma arginina). Comparando a
estrutura desses dois aminoácidos, vemos que a glicina é um
aminoácido pequeno e com um grupamento polar. Por sua vez, a arginina,
é um aminoácido bem maior e com característica básica. Como o filhote 
do cruzamento 2 (A²A³) não é fenotipicamente normal, essa troca parece
afetar o funcionamento desse peptídeo, fazendo com que o seu
crescimento seja retardado.
Quando observamos o alelo A³, vemos que a mutação que lhe deu
origem inseriu um códon de término na posição do terceiro aminoácido.
Isso significa que o peptídeo codificado por esse alelo não é produzido
integralmente, o que explica a morte do filhote do terceiro cruzamento.Quer dizer, o filhote não consegue produzir nenhum peptídeo funcional
para esse loco, já que ele é homozigoto A³A³. Por outro lado, o filhote do
primeiro cruzamento (A¹A³), embora carregue uma cópia do alelo A³, ele
será normal pois o alelo A¹ nele presente produz quantidade suficiente da
proteína funcional, um exemplo clássico de dominância/recessividade.
O que deve ter provocado as diferenças encontradas nas sequências de
nucleotídeos desses três alelos? Explique como isso deve ter ocorrido:
Novos alelos normalmente surgem devido a mutações na molécula de
DNA. Essas mutações podem ser causadas por fatores internos (erros
que ocorrem durante o processo de duplicação do DNA, ou falhas no
sistema de reparo de danos do DNA) ou externos (por exemplo, radiação
ultra violeta, raios X, agentes mutagênicos etc).
Exercício 2 - revendo os principais aspectos da divisão meiótica
A figura abaixo representa um organismo diploide (2n) com 2n = 4 cromossomos.
Determine qual deverá ser a quantidade de moléculas de DNA encontrados em cada
uma das seguintes situações:
Nas células que estiverem em intérfase: a intérfase é o período em que a célula
está expressando ativamente uma série de genes que garantem o a sobrevivência
do organismo. Sendo assim, o seu DNA encontra-se em diferentes graus de
condensação formando a eucromatina e a heterocromatina. Como cada
cromossomo interfásico é formado por uma única molécula de DNA, nessa fase, a
célula representada no esquema terá 4 moléculas de DNA (ou dois pares de
cromossomos homólogos não duplicados), sendo representada pelo genótipo
AaBb.
Nas duas células-filhas que surgiram pela divisão mitótica: a divisão mitótica ocorre
em tecidos que estão crescendo, sendo reparados ou substituídos. Isso significa
que as células filhas devem conter a mesma quantidade de material genético
presente na célula mãe. Portanto, no exemplo, depois da replicação do DNA e da
divisão celular, cada uma das células filhas deverá ter 4 moléculas de DNA ou dois
pares de cromossomos homólogos, cada uma delas com o genótipo AaBb.
Nas células em metáfase I da divisão meiótica: tanto na metáfase I da mitose como
na metáfase I da meiose, cada molécula de DNA já foi replicada. Além disso, na
meiose, os cromossomos metafásicos (cada um deles formados por duas
moléculas de DNA unidas pelo centrômero – as cromátides irmãs) estarão
condensados e pareados com seus homólogos na placa metafásica. Sendo assim,
essa célula terá dois pares de cromossomos metafásicos, cada um deles com
duas moléculas de DNA (as cromátides irmãs) o que resulta em oito moléculas de
DNA. Por sua vez, na metáfase II, que ocorre na meiose, como houve a separação
dos cromossomos homólogos sem haver ainda ainda a separação das cromátides
irmãs, tal célula terá 4 moléculas de DNA (um cromossomo de cada par, cada um
deles com duas moléculas de DNA – as cromátides irmãs – unidas pelo
centrômero).
Nas células em metáfase II da divisão meiótica: na metáfase II, os cromossomos
homólogos foram separados, mas as cromátides irmãs continuarão unidas pela
região centromérica. Então, nesse exemplo, cada célula terá 4 moléculas de DNA
(duas do cromossomo 1 e duas do cromossomo 2).
Em cada um dos seus gametas: nesse estágio, além da separação dos
cromossomos homólogos, aconteceu a separação das cromátides irmãs. Logo,
cada gameta terá apenas duas moléculas diferentes de DNA (uma representando o
cromossomo 1 e a outra, o cromossomo 2).
Exercício 3 - erros durante a divisão meiótica envolvendo cromossomos
inteiros
A figura abaixo mostra duas meioses que resultaram em gametas com números
cromossômicos anormais devido a um problema chamado de não disjunção
cromossômica. Essa não disjunção pode ocorrer na primeira ou na segunda divisão
meiótica.
Diante desses dados, responda:
A não disjunção cromossômica pode ocorrer em animais fenotipicamente normais?
Por que ela acontece?
Qualquer animal ou planta está sujeito a produzir gametas desbalanceados, ou
seja, com cromossomos a mais ou a menos, devido a erros que acontecem
durante a divisão meiótica. Entretanto, nos animais, estudos indicam que
esses erros aumentam em frequência nos indivíduos mais velhos,
principalmente nas fêmeas. Esses erros podem ser devido a não disjunção ou
separação dos cromossomos homólogos (o esquema 2 da figura anterior) ou
das cromátides irmãs (o esquema 3 da figura anterior), por atraso anafásico
etc. Ou seja, animais absolutamente normais podem produzir gametas
desbalanceados. Contudo, animais com alguns tipos de alterações
cromossômicas, como as translocações, normalmente produzirão uma certa
proporção de gametas desbalanceados ao longo das suas vidas.
Quais gametas neste esquema podem ser considerados normais em termos de
quantidade correta de cromossomos?
Os gametas normais são: 1a, 1b, 1c, 1d, 3c e 3d.
Quais desses gametas, caso sejam fecundados por gametas normais resultarão
em animais com monossomias? Exemplifique esquematizando a união desses
gametas:
Qualquer gameta normal (exemplificados na questão anterior) se for
fecundado pelos gametas 2c, 2d ou 3b dará origem a um indivíduo com uma
monossomia. Nos três casos, será um indivíduo com uma monossomia do
cromossomo 2 (o menor).
Quais desses gametas, caso sejam fecundados por gametas normais resultarão
em animais com trissomias? Exemplifique esquematizando a união desses
gametas:
Qualquer gameta normal se for fecundado pelos gametas 2a, 2b e 3a dará
origem a um indivíduo com uma trissomia. Neste exemplo, todos os animais
com trissomia o serão para o cromossomo 1 (o maior).
Exercício 4 - erros durante a divisão meiótica envolvendo partes dos
cromossomos, cromossomos inteiros ou genomas inteiros
A figura abaixo apresenta vários cariótipos obtidos de diferentes indivíduos, sendo o
primeiro (A) considerado normal (ou padrão) para essa espécie. Diante dessas
informações, responda:
Identifique os tipos de alterações cromossômicas encontradas nos cariótipos B até
F, bem como a maneira que elas podem ser herdadas:
(B) trissomia do cromossomo 3, (C) monossomia do cromossomo 6 e (F)
triploidia: essas três alterações ocorrem devido a erros durante o processo de
divisão meiótico, tais como atraso anafásico, não disjunção de cromossomos
homólogos ou de cromátides irmãs.
(D) translocação entre os cromossomos 6 e 5: tais alterações ocorrem devido
a quebras e rearranjos entre cromossomos não homólogos que ocorrem
normalmente antes do processo de duplicação do DNA.
(E) deleção de parte do cromossomo 5: isso normalmente ocorre devido a
pareamento e permuta desigual entre cromossomos homólogos.
Dentre os cariótipos com alterações cromossômicas, existiria algum que não
estaria associado a nenhuma modificação fenotípica em seu portador? Por quê?
O indivíduo (D) não apresenta perda ou ganho de material genético. Isso
porque a perda do braço curto dos cromossomos 5 e 6 normalmente não é
problemática pelo fato dessas regiões normalmente serem heterocromáticas.
Isso significa que elas não devem apresentar genes convencionais.
Se você encontrasse um animal com o cariótipo igual ao D, você o retiraria do
grupo de reprodutores por qual motivo?
Esse indivíduo, embora não tenha ganhado ou perdido material genético,
sendo fenotipicamente normal, terá problemas na formação de seus gametas,
podendo apresentar esterilidade parcial. Os cromossomos envolvidos nessa
translocação se parearão de maneira diferenciada, o que resultará em uma
certa proporção de gametas desbalanceados. Além disso, ele poderá gerar
descendentes com esse mesmo tipo de problema, passando para a próxima
geração essa alteração cromossômica.
O esquema acima mostra os problemas gerados pela translocação
cromossômica. Se tal translocação não afeta o funcionamento dos genes, mas
apenas embaralha segmentos de cromossomos não homólogos, tanto o
animal de cariótipo convencional como aquelecom a translocação serão
fenotipicamente normais. O problema é que durante a formação dos gametas,
os cromossomos homólogos costumam se parear antes de serem
corretamente separados para as células filhas. No animal com uma
translocação esse pareamento poderá gerar diferentes orientações dos
cromossomos na placa equatorial, fazendo com que as células filhas recebam
diferentes combinações destes, muitas delas desbalanceadas (com genes
faltando ou sobrando). Os gametas desbalanceados costumam ser não
funcionais. Portanto, com uma menor produção de gametas normais, os
animais com translocações costumam apresentar fertilidade menor que
aqueles cariotipicamente normais.
O que frequentemente acontece com animais que herdam alterações
cromossômicas tais como as observadas nos cariótipos B, C, E e F?
Animais como os mamíferos normalmente não suportam monossomias,
trissomias, deleções e poliploidias, sendo abortados durante o
desenvolvimento embrionário. Os que sobrevivem frequentemente
apresentam uma série de alterações morfológicas, fisiológicas e
comportamentais, além de serem estéreis. Por exemplo, nas monossomias e
trissomias, quanto maiores os cromossomos envolvidos, maiores as chances
de aborto durante os primeiros estágios do desenvolvimento embrionário. Isso
acontece porque, cromossomos maiores possuem mais genes e, quanto mais
genes desbalanceados, maiores os problemas fenotípicos.
O tipo de alteração cromossômica encontrada em F é mais comum de acontecer
em que tipos de organismos? Esse tipo de alteração cromossômica pode ter
alguma aplicação prática para o melhorista?
Uma série de vegetais, muitos deles utilizados na agricultura, são naturalmente
poliploides, o que acaba afetando a sua produtividade. Inclusive, existem
protocolos para a produção de plantas poliploides que são utilizados no
melhoramento.
Em quais dessas situações você sugeriria que os pais fossem encaminhados para
a cariotipagem? Por que?
Apenas em D, pois um dos progenitores, embora possa ser fenotipicamente
normal, pode ser portador dessa translocação balanceada.
Monossomias e trissomias, por exemplo, por serem originadas a partir de
erros que ocorrem durante o processo de divisão meiótica, são passíveis de
acontecer em qualquer indivíduo da população, mesmo naqueles
cariotipicamente normais. Por outro lado, em humanos, tem-se observado um
risco maior de ocorrência desse tipo de problemas (ex: não disjunção
cromossômica) em indivíduos mais velhos, principalmente fêmeas.
Exercício 5 - a esterilidade nos híbridos
O burro é um excelente animal de tração, sendo um híbrido interespecífico entre o
jumento (Equus azinus, 2n = 62) e a égua (Equus caballus, 2n = 64). Apesar do seu
vigor físico, ele não produz descendentes. Sugira algumas explicações sobre o ponto
de vista citológico para a sua esterilidade.
Além de terem quantidade diferente de cromossomos, como se tratam de
espécies diferentes, os cromossomos de cavalos e jumentos não são homólogos.
Isso significa que cromossomos de jumentos e de cavalos não devem se parear
corretamente. Para a mitose, isso não se torna um problema, pois cada cromátide
irmã de cada um dos seus 63 cromossomos duplicados irá para uma das duas
células filhas. Portanto, as células somáticas dos burros e mulas deverão ter
sempre 63 cromossomos. Porém, na meiose, quando ocorrer a primeira divisão
(reducional), cada célula filha receberá uma mistura aleatória de cromossomos do
cavalo e do jumento, conforme exemplificado no esquema à esquerda:
Isso significa que, após a segunda divisão meiótica (equacional), serão formados
gametas desbalanceados, ou seja, com quantidades diferentes de cromossomos
dessas duas espécies. Acontece que, os indivíduos que produzem uma grande
quantidade de gametas desbalanceados, são normalmente estéreis.