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Genética – CH0867 Thalles Barbosa Grangeiro Unidade I - Introdução à Genética Capítulo 1 do livro-texto (páginas 1-14) Qual a origem da variação fenotípica observada nos seres vivos? Parte da variação fenotípica que observamos é devida à variação genética e epigenética subjacente Selvagem jaguar Mutação pontual Variações genéticas são alterações herdáveis que causam mudanças na sequência de bases da molécula de DNA Mutação pontual As variações epigenéticas são causadas por mudanças herdáveis que não afetam a sequência de bases do DNA Essa modificações incluem metilação de bases do DNA e modificações das moléculas de histonas Metilação, um tipo de modificação epigenética Adenina Guanina Timina Citosina 5-Metilcitosina DNA Metil- transferase Acetilação, uma modificação epignética que afeta a estrutura das histonas KAT (HAT) lisina acetiltransferase (histona AT) HDAC histona desacetilase Lisina Acetil-Lisina Acetilação por KATs Desacetilação por HDACs Grupo acetil Grupo metil Grupo carbonil Genética Ciência que trata: dos mecanismos da hereditariedade das semelhanças e diferenças herdáveis que ocorrem entre os organismos Importância da Genética Características físicas, suscetibilidade a doenças e distúrbios, personalidade Agricultura Indústria farmacêutica e outras Medicina Genética e Evolução Mulher Mursi (Etiópia) com bebê albino Genética na Agricultura Aplicada intensivamente ao melhoramento de plantas cultivadas e animais domésticos Aumento de produtividade Resistência a pragas e doenças Resistência a estresses abióticos (seca, salinidade) Valor nutricional Características que facilitam a colheita Heterose, um fenômeno genético importante para a produção agropecuária Quando há expressão de heterose, a performance da F1 excede a média dos parentais Heterose Parental A Parental B Parental A Parental B Heterose Média dos pais Média dos pais Impacto dos híbridos na produtividade de milho nos EUA Fonte: www.ag.ndsu.nodak.edu/plantsci/breeding/corn/ Genética na indústria farmacêutica Produção de drogas e aditivos alimentares por microrganismos geneticamente melhorados Proteínas humanas recombinantes de valor terapêutico, produzidas por microrganismos geneticamente modificados Insulina Hormônio do crescimento Fatores de coagulação Alexander Fleming (1881-1955) Estrutura 3D da insulina humana A susceptibilidade dos organismos a muitas doenças possui, muitas vezes, uma base genética Um exemplo é a suscetibilidade de plantas de fumo (Nicotiana tabacum) ao vírus do mosaíco do tabaco (TMV) O TMV possui RNA como material genético 100 nm Vírus do mosaico do tabaco (TMV) Lam et al 2001 Um alelo do gene N em plantas de tabaco confere resistência ao TMV Suscetível (nn) Resistente (NN) lesões necróticas (HR) Genética na Biologia Princípio unificador Uso universal dos ácidos nucléicos (DNA e RNA) como material genético A informação genética é replicada e decodificada essencialmente da mesma maneira em todos os organismos O que isso sugere? Implicações importantes Todos os organismos evoluíram do mesmo ancestral primordial O estudo dos genes de um organismo revela princípios que se aplicam a outros organismos Os genes de um organismo são funcionais em outros organismos Planta de fumo expressando o gene da luciferase Mosca-das-frutas expressando o gene da GFP (Green Fluoroscent Protein) de água viva Água-viva (Crystal Jellyfish Aequorea victoria) Variação Genética e Evolução Evolução biológica Surgimento aleatório de variantes genéticas mutações A proporção de algumas dessas variantes muda ao longo do tempo Diversidade e adaptação Mudança nas freqüências alélicas por deriva genética Efeito gargalo O perfil genético mudou Houve evolução! População original Nova população Sobreviventes Gargalo: redução catastrófica na população Morte Deriva Divisões da Genética Genética da Transmissão ou Genética Clássica Genética Molecular Genética de Populações Genética da Transmissão ou Genética Clássica Princípios e mecanismos básicos de transmissão das características Relação entre cromossomos e hereditariedade Arranjo dos genes nos cromossomos Mapeamento gênico Genética Molecular Estrutura e função do gene: replicação, transcrição, tradução Regulação da expressão gênica Genética de Populações Composição genética das populações (frequências alélilas e genotípicas) Fatores que afetam essa composição no tempo e no espaço geográfico Seleção Mutação Migração Deriva Organismos-modelo da Genética Escherichia coli Saccharomyces cerevisiae Zebrafish (Danio rerio) Organismos-modelo Tempo de geração curto Prole abundante Baixo custo de manutenção e propagação em laboratório Uma enorme quantidade de informações tem se acumulado sobre a genética dos organismos-modelo De que forma o conhecimento sobre a genética dos organismos-modelo pode ajudar a compreender outros organismos? Uma proteína (SLC24A5) que afeta a pigmentação no peixe- zebra e em humanos Lamason et al., 2005 A. Selvagem B. Golden (mutante; alelo golb1); as regiões ampliadas destacam os melanóforos C-F. MET de melanóforos da pele de larvas (55 daf) selvagens (C e E) e golb1 (D e F) Os mutantes possuem melanóforos menores, mais pálidos e transparentes (B), e os mesmos contém menos melanossomos em relação ao fenótipo selvagem (D). Os melanossomos dos mutantes são menores e de formato irregular (F). Gene que determina o fenótipo golden SLC24A5 Proteína SLC24A5 transporte de cálcio Localizada na membrana dos melanossomos Qual a diferença entre o alelo selvagem e o alelo golb1? Uma mutação C A no alelo golb1 converte o resíduo Tirosina208 de SLC24A5 em um códon de terminação Nenhuma proteína funcional é detectada em embriões golden Conclusão: A proteína SLC24A5 é necessária para o correto funcionamento do melanossomo Qual a relação desses achados com a variação da cor da pele em humanos? As diferenças primárias entre melanócitos de Africanos e Europeus incluem diferenças no número, tamanho e densidade dos melanossomos Os mamíferos possuem um gene ortólogo SLC24A5 Hipótese: a pele clara em humanos pode resultar de uma mutação similar à mutação golden no peixe-zebra SLC24A5 humana 471 resíduos de aminoácidos Um polimorfismo de nucleotídeo único (single nucleotide polymorphism, SNP) não sinônimo (G A) foi detectado na população humana Esse SNP muda o resíduo 111 da SLC24A5 humana, de alanina (Ala) para treonina (Tre) As frequências desses dois alelos em populações de ancestralidade africana e européia são muito diferentes Distribuição das frequências dos alelos G e A (SLC24A5) Africanos → Freqência alelo G (Ala111) = 93 a 100% Europeus → Frequência do alelo A (Tre111) = 98,7 a 100% Polimorfismo Ala111Tre Alelo ancestral → Ala111 Alelo derivado → Tre111 SNP G → A Existem evidências de que o gene SLC24A5 sofreu forte seleção positiva nas populaçõeseuropéias Princípios Genéticos ao longo da História 10.000-12.000 anos atrás Início da domesticação de plantas e animais Oriente Médio (região do Crescente Fértil) Primeiras plantas domesticadas: trigo, ervilha, lentilha, cevada Primeiros animais domesticados: cães, cabras e ovelhas Linha do tempo da domesticação Triticum dicoccoides Triticum boeoticum Hordeum vulgare subsp. spontaneum Mar Mediterrâneo Eufrates Tigre Mar Mediterrâneo Assírios e Babilônios , povos que floresceram na região do Crescente Fértil, realizavam a polinização artificial para obter plantas com características favoráveis Esculturas em baixo-relevo de divindades realizando polinização artificial (Assíria, século 9 a.C.) O processo de seleção artificial causou grandes mudanças nas características das espécies domesticadas Alguns exemplos do poder da seleção artificial em moldar as características das espécies Cultivares de Brassica oleracea Mostarda selvagem (Brassica oleracea) Mostarda selvagem (Brassica oleracea) Couve-rábano Couve-de-bruxelas Brócoli Repolho Couve-flor Couve-frisada Seleção para folha (Grupo Acephala) Os couves propriamente ditos, como couve-frisada e couve-manteiga O grupo Acephala é o que guarda mais similaridade (pelo menos morfológica) com a forma selvagem de B. oleracea Seleção para gema apical (Grupo Capitata) Couves e repolhos Kohlrabi (couve-rábano) Seleção para caule (Grupo Gongylodes ) Seleção para gemas laterais (Grupo Gemmifera) Couve-de-bruxelas Seleção para inflorescência (Grupo Botrytis) Couve-flor Chiu et al., 2010 Seleção para inflorescência (Grupo Italica) Brócoli Brócoli Brassica oleracea, uma espécie e muitas formas, resultantes de mutações afetando diferentes aspectos do crescimento (a) Foxhound; (b) Greyhound; (c) Mastiff; (d) Boston terrier; (e) Ibizan hound; (f) Cocker spaniel (a) Dalmata; (b) Collie; (c) Shih-tzu; (d) Pointer O poder da seleção artificial Princípios genéticos no Talmude (499 d.C.), o livro sagrado dos judeus Princípios genéticos no Talmude Se uma mulher tiver dois filhos que morreram de sangramento após a circuncisão, os próximos filhos que ela tiver não devem ser circuncisados; nem os filhos de suas irmãs, embora os filhos de seus irmãos sim. Noções antigas sobre hereditariedade Aristóteles (384 – 322 a.C.) “Humano gera humano, cavalo gera cavalo” Aristóteles (384 – 322 a.C.) Ambos os parentais contribuiam na determinação das características da prole A prole era produto da mistura do sangue do pai (sêmen) e do sangue da mãe (da menstruação) Hipócrates (460 – 377 a.C.) Teoria da pangênese Herança de caracteres adquiridos Indivíduo da tribo Mangbetu (Congo, África) Crânios alongados de povos do Peru, ~1.000 a.C. “A característica [cabeça alongada] era, assim, adquirida inicialmente de modo artificial, mas, com o passar do tempo, ela se tornou uma característica hereditária e a prática [moldagem do crânio dos recém-nascidos] não foi mais necessária.” “A semente vem de todas as partes do corpo, as saudáveis das partes saudáveis, as doentes das partes doentes. Se pais com pouco cabelo têm, em geral, filhos com pouco cabelo, pais com olhos azuis têm filhos com olhos azuis, e pais estrábicos têm filhos estrábicos, por que pais com cabeças alongadas não teriam filhos com cabeças alongadas?” Sobre Ares, Águas e Lugares (Parte 14), 400 a.C. No século 19, uma Teoria da Pangênese foi proposta por Darwin na obra Variação dos Animais e Plantas sob Domesticação, publicada em 1868 Darwin foi alertado por William Ogle (1827-1912) que sua teoria não era original. Entretanto, ele (Darwin) negou que tivesse qualquer conhecimento prévio dos escritos de Hipócrates Down, 6 de março de 1868 “… I wish I had known of these views of Hippocrates before I had published, for they seem almost identical with mine …” Jean-Baptiste Lamarck (1744–1829), por outro lado, incorporou as ideias de Hipócrates sobre a herança de caracteres adquiridos na sua Teoria da Evolução, o Lamarckismo Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) Philosophie zoologique ou exposition des considérations relatives à l'histoire naturelle des animaux ("Zoological Philosophy: Exposition with Regard to the Natural History of Animals"), 1809 August Weismann (1834-1914) Teoria do germoplasma Nos organismos multicelulares, a herança se dá exclusivamente por meio das células germinativas Outras noções antigas sobre a hereditariedade Pré-formismo Ovulistas Espermicistas Herança pela mistura O início da experimentação na Genética Nehemiah Grew (1641-1712) Anatomy of Plants, 1682 Rudolph Jacob Camerarius (1665-1721) De sexu plantarum epistola, 1694 Joseph Gottlieb Kölreuter (1733-1806) Hibridizações em plantas Nehemiah Grew (1641-1712) Algumas ilustrações do The Anatomy of Plants Rudolph Jacob Camerarius (1665-1721) Identificou e definiu as funções das partes reprodutivas masculina (anteras) e feminina (pistilo) durante a fertilização Observações experimentais de Camerarius Na amoreira, as sementes não se desenvolvem se a planta fêmea é isolada da planta macho O mesmo ocorre quando as flores estaminadas (do milho e maconha) ou as anteras (da mamona) são removidas Nicotiana rustica Joseph Gottlieb Kölreuter (1733-1806) Gregor Johann Mendel (1822-1884) Ervilha (Pisum sativum) A Genética no século XX Modelo de estrutura do DNA: James Watson & Francis Crick, 1953 Watson J.D., Crick F.H. (1953) Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171(4356): 737-738. Oswald T. Avery (esq.) e seus colaboradores Colin MacLeod e Maclyn McCarty demonstraram o princípio transformante proposto por Frederick Griffith em 1928. Rosalind E. Franklin trabalhou com Maurice Wilkins no estudo do DNA. Wilkins e John Randall trabalharam juntos na Unidade de Biofísica do King’s College em Londres. Ganhadores do prêmio Nobel de 2009 em Fisiologia – função dos telômeros e da telomerase Jack William Szostak Elizabeth Blackburn Carolyn W. "Carol" Greider http://qnint.sbq.org.br/qni/visualizarTema.php?idTema=33 A descoberta do DNA - SBQ Conceitos básicos A informação genética é codificada no DNA e RNA Gene: unidade fundamental da hereditariedade Os genes existem em várias versões, os alelos Os genes codificam fenótipos Algumas características são afetadas por vários genes Os genes estão localizados nos cromossomos Fluxo da informação genética Cromossomos, mitose e meiose Mutações: alterações permanentes e herdáveis na informação genética Evolução: o perfil genético das populações é dinâmico A Genética explica muito do que somos! E também do que não somos…
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