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Genética Animal Kécya Moita kecyamoita@ufrrj.br Seropédica Ministério da Educação Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro Instituto de Ciências Biológicas e da Saúde Departamento de Genética 1 Objetivo Entender a origem e o funcionamento do alelismo múltiplo; Entender o funcionamento das interações não alélicas ou gênicas e suas variações; Interação complementar, Interação multiplicada, Interação inibidora (epistática dominante), Interação permissiva (epistática recessiva), Como funciona os genes letais e o seu mecanismo de herança. 2 Alelos Múltiplos (Polialelia) Herança determinada por mais de dois alelos que condicionam um só caráter, obedecendo os padrões mendelianos. Cada indivíduo tem, no genótipo, apenas dois alelos, um de origem paterna e outro de origem materna. Novos alelos surgem por mutações que provocam alterações na proteína original. 3 Alelismo múltiplo Entre os vários exemplos de alelismo múltiplo podemos citar a cor da pelagem da maioria dos animais domésticos. No cão, por ex., a cor da pelagem de determinadas raças é explicada pela presença de 5 alelos do gene C. Que apresentam dominância completa, que é representada, em ordem decrescente: C>cde>cd>ch>c 4 Alelismo múltiplo Cor da pelagem em cães Alelo C=pigmentação intensa; Alelo cde= vermelho passando para o amarelo; Alelo cd= o pelo é branco com pele e olhos escuros; Alelo ch= pelos cinzas e olhos azuis escuros, e Alelo c= albina, nariz rosa, olhos azuis e pelos brancos. 5 Alelos Múltiplos (Polialelia) Ex.: Cor da pelagem em coelhos. 4 alelos C selvagem (aguti). cch chinchila. ch himalaia. ca albino. 6 C > cch > ch > ca C _ cch _ ch _ caca Grupos Sanguíneos Determinado por proteínas presentes no plasma ou nas hemácias. Conhecimento importante nas transfusões, medicina legal, estudos étnicos, etc. Transfusões baseadas nas relações antígeno/anticorpo. A herança obedece os padrões mendelianos: Sistema ABO Polialelia e codominância. Sistema Rh Monoibridismo com dominância. Sistema MN Monoibridismo sem dominância. 7 Sistema ABO Grupo Sanguíneo Aglutinogênio nas hemácias Aglutinina no plasma A A Anti-B B B Anti-A AB A e B - O - Anti-A e Anti-B 8 Doações O A B AB 9 Sistema ABO Os grupos do sistema ABO são determinados por uma série de 3 alelos, IA, IB e i onde: Gene IA determina a produção do aglutinogênio A. Gene IB determina a produção do aglutinogênio B. Gene i determina a não produção de aglutinogênios. 10 IA = IB > i Sistema ABO 11 Fenótipos Genótipos Grupo A IAIA ou IAi Grupo B IBIB ou IBi Grupo AB IAIB Grupo O ii Sistema Rh Fator Rh Proteína encontrada nas hemácias que pode agir como antígeno se for inserida em indivíduos que não a possuam. Rh+ indivíduos que possuem a proteína. Rh- indivíduos que não possuem a proteína 12 Doações Rh- Rh+ Fenótipos Genótipos Rh+ RR ou Rr Rh- rr Eritroblastose Fetal Doença Hemolítica do Recém Nascido 13 Condições: Mãe: Rh-; Pai: Rh+; Criança: Rh+ Treinando 1. Qual é a prole de um coelho selvagem heterozigoto para himalaia com uma fêmea chinchila heterozigota para albina? Dados: C: selvagem (aguti) > cch: chinchila > ch: himalaia > ca: albino. 2. O pai de uma criança do grupo sanguíneo A e Rh+, cuja mãe, é B e Rh-, poderia ser: a) AB e Rh+ b) AB e Rh- c) B e Rh+ d) A e Rh- e) O e Rh+ 3. Qual a prole de um cão de intensa pigmentação filho de mãe de pelos cinza, com uma fêmea de pelo branco filha da mesma mãe? Dados: Alelo C=pigmentação intensa > cde= vermelho passando para o amarelo > cd= o pelo é branco > ch= pelos cinzas > c= albina. 14 Genética Moderna (Pós-Mendeliana) Heranças que se afastam, pouco ou muito, dos processos descritos por Mendel em seus trabalhos. As proporções fenotípicas podem variar em relação às proporções clássicas da genética mendeliana. Herança Qualitativa: O fenótipo depende de quais genes estão presentes no genótipo. Ex.: interações gênicas (genes complementares e epistasia) e pleiotropia. Herança Quantitativa: O fenótipo depende de quantos genes dominantes estão presentes no genótipo. Ex.: coloração de pele em humanos. 15 Interação Gênica entre não alelos É mecanismo genético definido pela presença de dois ou mais pares de genes contribuindo juntos para a expressão fenotípica das diferentes formas (fenótipos) que um único caráter pode apresentar. Interação complementar Interação multiplicada Interação inibidora (epistática dominante) Interação permissiva (epistática recessiva) 16 Interação complementar É um tipo de interação que ocorre entre genes principais, dominantes, e que quando presentes simultaneamente no genótipo determinam um efeito final, ou seja, um fenótipo diferente daquele que cada um é capaz de determinar, quando na ausência do outro. 17 Interações Complementares Genes com segregação independente que agem em conjunto para determinar um fenótipo. Ex.: forma das cristas em galináceos. Fenótipos Genótipos crista noz R_E_ crista rosa R_ee crista ervilha rrE_ crista simples rree 18 O que nasce do cruzamento abaixo? Crista rosa - RRee Crista ervilha - rrEE E do cruzamento de seus filhos? F1 Crista noz - RrEe Crista noz - RrEe 19 A cor da pelagem em suínos Do cruzamento de indivíduos puros vermelhos AABB com indivíduos brancos aabb, nascem indivíduos vermelhos AaBb. Do cruzamento de indivíduos heterozigotos, observou-se o nascimento de indivíduos com o fenótipo dos pais, mas também com fenótipo amarelo-sujo. Fenótipos Genótipos vermelha A_B_ Amarelo-sujo A_bb Amarelo-sujo aaB_ branca aabb 20 A cor da pelagem em suínos AB Ab aB ab AB AABB AABb AaBB AaBb Ab AABb Aabb AaBb Aabb aB AaBB AaBb aaBB aaBb ab AaBb Aabb aaBb aabb 9/16 vermelho 6/16 amarelo-sujo 1/16 branco 21 Interação multiplicada É o tipo de interação que ocorre entre genes principais e parece resultar da repetição no genótipo de um mesmo par de genes. Ex. O caráter presença e ausência de penas nos pés em galinhas, onde o gene A e B determina presença e a e b ausência de penas. Ao cruzar indivíduos puros com ausência x presença de penas, encontramos na F2. 22 Interação multiplicada AB Ab aB ab AB AABB AABb AaBB AaBb Ab AABb Aabb AaBb Aabb aB AaBB AaBb aaBB aaBb ab AaBb Aabb aaBb aabb 15/16 com presença de penas e 1/16 com ausência de penas 23 Epistasia Epistasia ocorre quando o efeito dos alelos de um loco é bloqueado pela presença de um alelo específico de outro loco. Conceito tradicional de Bateson (há ± 100 anos). Interação em que um par de genes inibe o outro par, não alelo, manifeste seu caráter. A epistasia pode ser dominante ou recessiva. O gene inibidor é chamado de epistático e o inibido é o hipostático. 24 Interação inibidora ou interação epistática dominante É o tipo de interação que ocorre entre genes de um par principal e de um par modificador. Neste caso, o alelo dominante do par modificador impede ou inibe a expressão fenotípica dos genes do par principal. O alelo recessivo do par modificador não tem nenhum efeitosobre os genes do par principal. Fenótipos Genótipos Penas coloridas C_ii Penas cc_ _ brancas C_I_ 25 Interações epistática dominante Ex.: Cor da penas em galináceos, o gene C determina penas coloridas e o gene c, penas brancas. O gene I é epistático sobre gene C, inibindo-o. Do cruzamento de indivíduos vermelhos CCii com indivíduos brancos ccII, nasceram na F1 indivíduos brancos. Cruzando estes indivíduos entre si obtivemos na F2? (Dados: I= epistático dominante, C= vermelho e c= branco) 26 Interação epistática dominante CI Ci cI ci CI CCII CCIi CcII CcIi Ci CCIi CCii CcIi Ccii cI CcII CcIi ccII ccIi ci CcIi Ccii ccIi ccii 13/16 com penas brancas e 3/16 com penas vermelhas 27 28 Interação permissiva ou suplementar ou interação epistática recessiva É o tipo de interação que ocorre entre genes de um par principal e de um par modificador. Neste caso, o alelo dominante do par modificador dá condições ou permite a expressão fenotípica dos genes do par principal. O alelo recessivo do par modificador tem efeito sobre os genes do par principal. 29 30 Interação epistática recessiva Cor da flor da Campanula sp P: W1W1 w2w2 x w1w1 W2W2 (branca) F1: W1w1 W2w2 (azul) F2: 9 W1__ W2__ (azul) 3 W1__ w2w2 (branca) 3 w1w1 W2__ (branca) 1 w1w1 w2w2 (branca) 9 azul : 7 branco 31 32 33 Albinismo oculocutâneo (AOC) ausência de pigmentação (pele, cabelos e olhos) pele branco leitosa cabelo branco amarelado olhos com íris azul acinzentada suscetibilidade ao câncer de pele eritemas intensos por exposição solar Borges-Osório e Robinson, 2001 34 Albinismo oculocutâneo (AOC) Cuidados na proteção contra raios solares (pele e olhos) Defeitos oculares (fotofobia, astigmatismo, nistagmo e redução da acuidade visual) Frequência: 1/20.000 indivíduos Frequência heterozigotos: 1/75 Borges-Osório e Robinson, 2001 35 36 37 38 Treinando 1. Em galinhas Leghorn, o gene C determina a manifestação de cor, porém é inibido pelo gene I, que epistático sobre ele. Um galo branco, cruzado com uma galinha branca, produziu em F1 50% de aves brancas e 50% coloridas. Qual deve ser o provável genótipo dos pais? 39 Genes letais São genes que determinam a morte de indivíduos, gametas (letais gaméticos) ou zigotos (letais zigóticos). Estes genes são resultantes de alterações moléculas de DNA são chamadas mutações e ocorrem na sequência ou número de bases nitrogenadas da molécula. 40 Genes letais Os genes são identificados por mutações que alteram o fenótipo de modo visível. Ex.,uma mutação pode mudar a cor ou o formato dos olhos, etc. A enorme variação entre os efeitos de mutações individuais sugere que cada indivíduo tem muitos tipos diferentes de genes e que cada um pode sofrer mutações de diferentes maneiras. As mutações que interferem nas funções vitais são denominadas mutações letais. 41 Genes letais Sabemos que muitos genes são capazes de sofrer mutações para o estado letal. Assim, cada um desses genes é absolutamente essencial a vida. As mutações letais dominantes que atuam no inicio da vida são perdidas uma geração depois que ocorrem porque os portadores morrem. As mutações letais dominantes que atuam mais tarde, após a reprodução podem ser transmitidas a próxima geração. 42 Genes letais As mutações letais recessivas permanecem por muito tempo em uma população porque podem ser ocultas na condição heterozigota. As mutações letais recessivas são detectadas por observações de proporções incomuns de segregação na prole de portadores heterozigotos. 43 Genes letais Quando as leis de Mendel foram redescobertas era difícil aceitar que estes genes letais pudessem ser comuns na população, entretanto em 1905, um geneticista francês chamado Cuénot ao estudar o caráter cor de pelos em ratos, que apresentavam os fenótipos amarelos (Yellow-lethal- Ay) e não amarelos fez cruzamentos e obteve os resultados a seguir. 44 Genes letais Cruzamentos Descendentes Ratos aguti x aguti 100% de ratos aguti Ratos aguti x amarelos ½ aguti : ½ amarelos Ratos amarelos x amarelos 2/3 amarelos : 1/3 aguti 45 Genes Letais Provocam a morte ou não desenvolvimento do embrião. Determinam um desvio nas proporções fenotípicas esperadas, geralmente 2:1. Aa Aa Aa Aa aa AA 46 Classificação dos Genes letais Gene letal dominante com efeito letal dominante: Neste caso o alelo A é letal e o recessivo a não letal. Portanto, indivíduos AA e Aa morrem e os aa vivem normalmente. Ex. são extremante raros pois, a mutação leva diretamente os indivíduos à morte, inviabilizando a identificação do gene mutante. 47 Classificação dos Genes letais Gene letal dominante com efeito letal recessivo: Neste caso, continua sendo o alelo A é letal e o recessivo a não letal. Os indivíduos AA morrem, os heterozigotos Aa sobrevivem, porém apresentam vários problemas de diferentes origens e os aa vivem normalmente. Como ex. podemos citar a acondroplasia em bovinos na raça Dexter, onde os animais heterozigotos não morrem. 48 Bovinos da raça Dexter 49 Acondroplasia encontradas no Sul do Brasil Jersey Dexter 50 Outro exemplo é o gene Hr Este gene ocorre em várias raças de cães e em homozigose (HrHr) é letal apresentando animais com lesões no crânio e esôfago. Os heterozigotos (Hrhr) apresentam poucos pelos na cabeça e nas patas e tem o número de dentes reduzidos. Hr hr Hr HrHr Hrhr hr Hrhr hrhr 51 52 Classificação dos Genes letais Gene letal recessivo com efeito letal recessivo: Neste caso, continua sendo o alelo A não é letal e o recessivo a é letal. Os indivíduos AA e Aa vivem normalmente e os aa morrem. Como ex. podemos citar a DUMPS (deficiência da uridina monofosfato sintetase) em bovinos na raça Holandesa. 53 Genes letais Gene letal recessivo com efeito recessivo Este gene letal é o mais preocupante pelo fato dele ser recessivo e ficar “escondido” nos animais heterozigotos que são perfeitamente normais, podendo assim ser disseminado nos rebanhos sem ser percebido. A a A AA Aa a Aa aa 54 Treinando 1. A pseudo-acondroplasia é um tipo de nanismo determinado geneticamente pelo alelo D autossômico dominante que interfere no crescimento dos ossos durante o desenvolvimento. A princípio, pensou-se que o fenótipo anão seria expresso pelo genótipo D/D ou D/d. Entretanto, foi considerado que a severidade do alelo, quando em dose dupla, produz efeito letal durante o desenvolvimento embrionário, provocando aborto precoce. Considere um casal de anões pseudo-acondroplásicos, para responder às seguintes questões: Dados: Nanismo= DD/Dd à DD– Letal em homozigose; Casal de anões= DdxDd a) Quais são os genótipos de cada indivíduo do referido casal? b) Caso a mulher deste casal venha dar à luz uma criança, qual é a probabilidade dela nascer geneticamente com a pseudo-acondroplasia? c) Como o casal já tem três crianças com a pseudo-acondroplasia, qual é a probabilidade de, em um eventual quarto nascimento, a criança nascer também afetada? 55 Fenocópias São fenótipos resultantes de causas ambientais, indistinguíveis dos fenótipos de origem genética, ouseja fenótipos causados por genes. Como ex., podemos dizer que quando o acido bórico é injetado em ovos galados em uma época apropriada do desenvolvimento, produzirá galinhas com pernas curtas e tortas, “rastejantes”, a semelhança do fenótipo produzido pelo genótipo Cc. 56 Fenocópias Outro exemplo é manosidose em bovinos, uma doença genética de herança autossômica recessiva. Animais recessivos não produzem a enzima α-manosidase, que causa acúmulo de manose nos lisossomos e N- acetilglicosamina que normalmente seriam metabolizados pela enzima ausente. Este acúmulo nas células do tecido nervoso resultam em descoordenação da marcha e alteração comportamental, causando a morte no segundo ano de vida. 57 Fenocópias Nos pastos da Austrália e USS existe uma leguminosa (astrágalo), da subfamília Papilionácea, dos gêneros swaisona (Austrália) e astragalus e oxytropis (USS), cuja a semente tem um inibidor da enzima α-manosidase. Assim, ao ingerir essas sementes o animal desenvolve a sintomatologia idêntica à da doença genética podendo levar o animal a morte. 58 Penetrância Penetrância: porcentagem de indivíduos de uma população com um determinado genótipo que exibem o fenótipo associado a esse genótipo. Completa: p=100% Incompleta: p<100% 59 Penetrância • Completa: todos os indivíduos que apresentam o gene produzem um determinado fenótipo. • Incompleta: somente uma parcela dos indivíduos com o mesmo genótipo expressam o fenótipo correspondente. Um determinado genótipo pode não expressar o fenótipo correspondente devido a genes epistáticos ou devido ao efeito do ambiente, por exemplo: 60 61 Penetrância incompleta Causas: Genes epistáticos: genes não alélicos que interagem com gene em questão. Genes modificadores: genes não alélicos que alteram a expressão do gene em questão. 62 Ex. Polidactilia em aves – gene autossômico dominante Polidactilia: presença de dedos a mais. Mutação dominante P Pode levar a interpretações erradas dos heredogramas. Pode pular uma geração. Trata-se de um indivíduo heterozigoto, em quem o gene não teve penetrância. 63 Ex., Gene para fotossensibilidade em carneiros – gene recessivo Esse gene só se manifesta em homozigose. Carneiros homozigotos recessivos, quando estão à sombra ou quando não ingerem ração com clorofila a doença não se manifesta. 64 Ex., Gene para fotossensibilidade em carneiros – gene recessivo Em um estudo de doenças hepáticas em caprinos e ovinos observaram que as braquiárias são capazes de provocar fotossensibilização hepatógena assim como Panicum spp., Tribulus terrestris, Agave lecheguilla e Narthecium ossifragum. Essas plantas contêm saponinas esteroidais em sua composição que causam colangite e deposição de cristais em ductos biliares, dificultando a metabolização e excreção da filoeritrina que se acumula e provoca a fotossensibilização (Cruz et al. 2001). 65 Estudo de caso Vamos supor que um gene dominante causador de uma doença tenha penetrância de 60%. Sendo o gene raro na população, os indivíduos com a doença seriam provavelmente heterozigotos e teriam a probabilidade de 50% de passar o gene para um descendente. Neste caso, o risco de um descente seu apresentar a doença será de 50% (chance de ter herdado) x 60% (valor de penetrância)= 30% 66 Estudo de caso Esse pequeno exemplo mostra a importância de conhecermos o modelo de herança dos genes, bem como sua penetrância e expressividade, para que possamos orientar os criadores no momento de estabelecer os cruzamentos a serem efetuados. 67 Expressividade Expressividade: corresponde ao modo como determinado gene expressa seu efeito no indivíduos. Podendo ser uniforme ou variável. Pode ser função de interações gênicas ou variáveis ambientais. Uniforme: Variável: 68 Expressividade • Uniforme: ocorre quando um alelo expressa sempre um único tipo de fenótipo, de fácil reconhecimento. • Variável: quando a expressão do alelo resulta no aparecimento de vários padrões de fenótipos ou vários graus de expressão. 69 Expressividade Os casos de expressividade variável representam uma dificuldade para o geneticista e melhorista, pois, à primeira vista, parece tratar-se de caracteres com controle genético mais complexo (caracteres quantitativos), quando na verdade trata-se de um caráter em que um alelo apresenta expressões variadas. 70 Ex., de expressividade variável Expressividade variável: gradações de manchas em Beagles. Cada um destes cães tem o alelo SP. 71 Ex., de expressividade variável O gene que determina o fenótipo pé de mula em suínos e em bovinos: Sua expressividade é variável pelo fato de apresentarem um, dois, três ou quatro cascos afetados. 72 Penetrância e a Expressividade Os termos penetrância e expressividade quantificam a modificação da expressão gênica em função da variação ambiental e de fundo genético. 73 Penetrância e a Expressividade Eles medem respectivamente a porcentagem de casos nos quais o gene é expresso e o nível de expressão. 74 Penetrância e a Expressividade Sempre quando um alelo apresenta uma penetrância incompleta e/ou expressividade variável, a relação gene- caráter fica mascarada pela alteração da correspondência entre o genótipo e o fenótipo. Ex: Penetrância incompleta e expressividade variável presença de listras marrons na semente do feijoeiro. 75 Penetrância incompleta e expressividade variável 76 Pleiotropia Não só é verdade que um fenótipo pode ser influenciado por muitos genes, como também que um gene pode influenciar muitos fenótipos. Quando um gene influencia muitos fenótipos, diz-se que é pleiotrópico. Herança em que um único par de genes condiciona várias características simultaneamente. Consiste no efeito múltiplo de um gene. Ex., PKU em humanos, mutação que afetam a formação de cerdas em drosófilas, etc. 77 Pleiotropia Em PKU, o efeito primário de mutações recessivas nesse gene é causar o acúmulo de substâncias tóxicas no encéfalo, com comprometimento mental. No entanto, as mutações também interferem na síntese do pigmento melanina, clareando os pelos. Sintomas: deficiência mental, convulsões, icterícia, queda de cabelo, urina muito concentrada (Recessiva). Fonte:http://rarasdoencas.blogspot.com/2008/02/fenilcetonria-ou-pku-abreviatura-de.html Crianças com microcefalia Criança com PKU materna 78 Mutações que afetam a formação de cerdas em drosófilas As moscas do tipo selvagem possuem cerdas longas e suavemente curvas na cabeça e no tórax. As moscas homozigotas para o gene singed das cerdas tem cerdas curtas e retorcidas. Assim o produto tipo selvagem do tipo singed é necessário para a produção de ovos férteis e saudáveis. Fêmeas homozigotas para esse gene são estéreis e machos são normais. Desse modo, o gene singed controla de modo pleiotrópico a formação das cerdas e dos ovos nas fêmeas e a formação de cerdas nos machos. 79 Pleiotropia Outros exemplos em humanos: Síndrome de Lawrence-Moon: obesidade, oligofrenia, polidactilia e hipogonadismo. (Recessiva) F o n te :h tt p :/ / w w w .s c ie lo .b r/ im g / re v is ta s/ a b o / v 66 n 5 / 1 8 1 6 0 t1 .g if 80 Pleiotropia Síndrome de Marfam: defeitos cardíacos, problemas visuais, aracnodactilia. (Dominante) 81 82 Considerações finais 83 Referências bibliográficas ANTHONY JF GRIFFITHS et. al. – Introdução a Genética. 9ª. Ed. São Paulo: Guanabara Koogan, 2010. cap. 2. 744p. RAMALHO, M. A. P.; SANTOS, J. B.; PINTO, C. A. B. P. Genética na agropecuária. 4a. Ed. UFLA, 2008. SNUSTAD, D.P.,SIMMONS, M.J Principles of Genetics, John Wiley & Sons, New York, 2012, cap.4. 840 p. 84