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Integrando a genética mendeliana com a divisão meiótica


Algumas definições importantes comumente usadas em genética
  • Característica ou caráter: qualquer peculiaridade expressa por um organismo. Por exemplo, a cor da pelagem das vacas e touros é um caráter. A presença ou ausência de chifres também é um outro caráter encontrado nos bovinos. Cada um desses caracteres é controlado por locos distintos.
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  • Loco: posição que um gene ocupa no cromossomo. Por exemplo, na figura acima, o loco E, com os alelos E e e se localiza na parte inferior do par cromossômico 1. Por outro lado, o loco F, com os alelos F e f se localiza na parte superior do par cromossômico 2.
Observação:
      • Lembrando que ao longo de um mesmo cromossomo existirão vários locos diferentes e, em cada indivíduo estes poderão estar em homozigose (por exemplo, para os locos A, B, C, G e K), ou em heterozigose (por exemplo, para os locos D, E, F, H e M).
  • Gene: um trecho da molécula de DNA que pode ser transcrito em uma molécula de RNA. Cada gene é normalmente representado por uma letra distinta. Por exemplo, o gene A da figura anterior pode codificar uma proteína da membrana celular, o gene B uma proteína expressa no leite, e assim por diante.
  • Alelo: é a forma alternativa de um mesmo gene. Genes alelos são sempre representados por uma mesma letra. Seguindo o exemplo da primeira figura, o gene A possui os alelos A e a e o gene B os alelos B e b. Um outro aspecto importante é que genes alelos ocupam um mesmo loco nos cromossomos homólogos. Por exemplo, os alelos A e a da figura anterior se encontram no primeiro par de cromossomos homólogos e os alelos B e b, no segundo par de cromossomo homólogos. 
Observações:
      • Os diferentes alelos de um mesmo gene serão sempre representados por uma mesma letra do alfabeto e escritos em itálico (Ex: A e a, ou B e b, ou Hb¹ e Hb² e assim por diante).
      • Quando um gene apresenta alelos com efeito do tipo dominante/recessivo, representamos os alelos dominantes por uma letra maúscula (ex: A) e os recessivos por uma letra minúscula (ex: a).
        • Alelo de efeito dominante: aquele que manifesta o caráter tanto em homozigose (ex: AA) como em heterozigose (ex: Aa).
        • Alelo de efeito recessivo: aquele que somente manifesta o seu efeito quando em homozigose (ex: aa).
      • Genes alelos que não manifestam o efeito dominante/recessivo - por exemplo aqueles de efeito codominante - são comumente representados a partir de uma mesma letra, seguido de um numeral (ex: C¹, C², C³ etc).
  • Genótipo: é a constituição genética de um indivíduo quanto ao caráter ou caracteres em estudo. Por exemplo, em algumas raças de bovinos, o fenótipo mocho pode ter genótipos diferentes condicionados por um gene de efeito maior (CC e Cc). Por sua vez, os indivíduos chifrudos terão sempre genótipo cc.
  • Fenótipo: são os caracteres observáveis de um determinado indivíduo. O fenótipo pode ser morfológico, bioquímico, fisiológico, molecular ou comportamental. Por exemplo, o fenótipo pode ser representado pela ausência ou presença de chifres na vaca, ou pelo comportamento mais dócil ou arredio de uma determinada raça, ou pela quantidade de proteínas no leite e assim por diante.
  • Cromossomos homólogos: são aqueles que carregam os mesmos locos, mas não necessariamente os mesmos alelos destes. Em organismos diploides (2n) e normais, cada um dos dois cromossomos homólogos provém de um de seus progenitores.Em organismos diploides (2n) e normais, os cromossomos homólogos são encontrados aos pares dentro das células somáticas e em unidades individuais nos gametas (n). Por exemplo, na célula somática diploide (2n) abaixo, existem dois pares de cromossomos homólogos, o primeiro representado em vermelho e, o segundo, em azul. Em seus gametas haploides (n), são encontrados apenas um cromossomo de cada par de homólogos.
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  • Cromossomos não homólogos:correspondem aos cromossomos que carregam locos diferentes. O conjunto de cromossomos não homólogos forma o genoma de uma espécie. Por exemplo, o genoma humano está distribuído em 23 cromossomos diferentes e, o da vaca, em 30 cromossomos diferentes. As células somáticas desses dois organismos costumam conter 2 cópias completas (2n) do genoma. Assim, as células somáticas de humanos possuem 2n = 23 pares de cromossomos e, as da vaca, 2n = 30 pares. Por outro lado, os gametas normais desses dois organismos contém apenas uma cópia completa do genoma. Assim, gametas humanos possuem n = 23 cromossomos diferentes e, gametas bovinos, n = 30 cromossomos diferentes.
  • Cromátides irmãs: são as duas moléculas de DNA oriundas da duplicação da molécula original e que são mantidas unidas pela região centromérica dos cromossomos. Ou seja, elas só serão mantidas juntas durante o processo de divisão celular (após a duplicação do DNA e antes da mitose ou da segunda divisão meiótica). Na intérfase, cada cromossomo é representado por uma única molécula de DNA que, dependendo do grau de condensação, dará origem a região de eucromatina e de heterocromatina nuclear. Estas são melhor observadas durante a metáfase, conforme representado na figura abaixo:
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A meiose e a primeira e segunda Leis de Mendel

O touro Juvenal e a vaca Estrela são naturalmente mochos. Mas, 1/4 das suas crias podem desenvolver chifres quando adultas. Esse casal também apresenta pelagem preta. E suas crias, independente do sexo, podem nascer com a pelagem preta ou vermelha, na proporção 3 pretas para 1 vermelha. Explique esses resultados:

Isso acontece por que ambos os animais são heterozigotos para os caracteres presença/ausência de chifres (genótipos Cc) e cor da pelagem (genótipos Vv). Cada um desses caracteres é governado por um único gene e, cada um desses genes, possui dois alelos distintos. Para o loco presença/ausência de chifres, o fenótipo ausência de chifres (alelo C) é dominante sobre a presença (alelo c) e, para a cor da pelagem, o fenótipo preto (alelo V) é dominante sobre o vermelho (alelo v). Por isso é que eles são capazes de produzir descendentes com fenótipos diferentes dos deles. E, é devido a dominância/recessividade encontrada nesses locos, que se observa os padrões fenotípicos de 3 para 1 na prole desse casal quando cada caráter é analisado individualmente. Dessa forma, Juvenal e Estrela deverão formar os seguintes tipos de gametas se considerarmos cada loco individualmente: Presença/ausência de chifres:

CruzamentoJuvenal
x
Estrela
Genótipo
Cc

Cc
Fenótipo
mocho

mocha
Gametas
50% C
50% c

50% C
50% c
Prole esperada
1/4 CC (mocha) : 2/4 Cc (mocha) : 1/4 cc (chifruda)
ou
3/4 C_ (mocha) : 1/4 cc (chifruda)

Cor da pelagem:
CruzamentoJuvenal
x
Estrela
Genótipo
Vv

Vv
Fenótipo
preto

preta
Gametas
50% V
50% v

50% V
50% v
Prole esperada
1/4 VV (preta) : 2/4 Vv (preta) : 1/4 vv (vermelha)
ou
3/4 V_ (preta) : 1/4 vv (vermelha)

Analisando a segregação em conjunto dessas duas características: Como esses dois locos estão em cromossomos não homólogos e, portanto, segregam independentemente, esse mesmo casal deverá formar os seguintes tipos de gametas se formos considerar os dois locos simultaneamente:

CruzamentoJuvenal
x
Estrela
Genótipo
CcVv

CcVv
Fenótipo
Mocho e Preto

Mocha e Preta
Gametas
25% CV
25% Cv
25% cV
25% cv

25% CV
25% Cv
25% cV
25% cv
Prole esperada
9/16 C_V (mocha e preta)
3/16 C_vv (mocha e vermelha)
3/16 ccV_ (chifruda e preta)
1/16 ccvv (chifruda e vermelha)

Representando a meiose para esses dois locos:

meiose

Observe que são necessárias duas meioses diferentes para se formar os 4 tipos diferentes de gametas (CV, Cv, cV e cv). Isso ocorre porque, na primeira divisão meiótica, também chamada de divisão reducional, cada célula-filha receberá apenas um dos dois cromossomos homólogos. Acontece que cada cromátide-irmã de um cromossomo é cópia de uma mesma molécula de DNA. Assim, cada cromátide-irmã deverá carregar um mesmo alelo. Por esse motivo é que, no esquema anterior, a primeira divisão meiótica resultou em 50% de gametas CV e 50% cv e, a  outra, em 50% de gametas cV e 50% de Cv.

Porém, na média, um indivíduo
AaBb terá 50% de meiócitos que seguirão o pareamento representado à esquerda (Possibilidade 1) e 50% o da direita (Possibilidade 2). É justamente essa liberdade de conjugação entre cada par de cromossomos homólogos que trata a Segunda Lei de Mendel ou Lei da segregação independente.






Diferenciando a primeira da segunda Leis de Mendel

O que diferencia a primeira da segunda lei de Mendel?

A primeira lei trata da separação de genes alelos que ocorre durante a meiose (por exemplo, A e a). Ela está relacionada ao fato de que cada gameta normal deverá receber um desses dois alelos. Por isso ela também é conhecida como a lei da pureza dos gametas. Assim,  os genótipos exemplificados abaixo deverão produzir os seguintes tipos de gametas:

tabela

A segunda lei trata da segregação independente de diferentes locos (por exemplo, A/a versus B/b). Considerando separadamente, em indivíduos heterozigotos (Aa ou Bb), esperamos 50% de gametas carregando o alelo (A) e 50% o alelo (a). O mesmo vale para o outro loco: 50% dos gametas carregarão o alelo (B) e 50% o alelo (b). Sendo assim, analisados em conjunto, podemos esperar as seguintes combinações:

 tabela


Exemplificando os resultados esperados para a primeira e segunda leis de Mendel:

tabela






Aprendendo a definir os tipos de gametas

Represente os diferentes tipos de gametas que poderão ser formados pelos seguintes genótipos:
  • Aa: 50% (A) e 50% (a)
  • aa: 100% (a)
  • AaBb: 1/4 (AB), 1/4 (Ab), 1/4 (aB) e 1/4 (ab)
  • AABb: 1/2 (AB) e 1/2 (Ab)
  • RrSsTt: 1/8 (RST), 1/8 (RSt), 1/8 (RsT), 1/8 (Rst), 1/8 (rST), 1/8 (rSt), 1/8 (rsT) e 1/8 (rst)

Uma maneira bastante prática de se estabelecer os tipos de gametas produzidos por indivíduos heterozigotos para vários locos é a partir do método das linhas ramificadas, com exemplificado abaixo para os indivíduos de genótipo AaBbCc e DDEeFf:

gametas

Como isso é feito?

Em primeiro lugar, descobrimos se os indivíduos são homozigotos ou heterozigotos para cada loco. Se for heterozigoto, consideramos a probabilidade dele produzir 50% de um tipo de gameta e 50% do outro para esse loco. Em seguida, consideramos a possibilidade de cada um desses gametas receber, independentemente, um dos dois alelos do próximo loco, e assim por diante. Por outro lado, se para um dos locos o indivíduo for homozigoto (ex: DD), aí devemos considerar que 100% dos gametas formados deverão receber um único alelo deste. Porém, para os outros locos heterozigotos, a regra de combinação ao acaso continua valendo. Também podemos perceber por este exemplo que tal método permite calcular rapidamente a frequência esperada para cada tipo de gameta. Basta, neste caso, multiplicar as frequências esperadas para cada um deles. Por exemplo, a chance de surgir um gameta com o arranjo ABC é 1/2 x 1/2 x 1/2 = 1/8 ou 12,5%.






Explicando a segregação independente e a diversidade genotípica

Eduard Van Beneden (1845-1910) foi um citologista belga que, em 1883, demonstrou: (a) a constância do número cromossômico nas espécies; (b) a redução do seu número durante a formação das células da linhagem germinativa; (c) a restauração do número par de cromossomos após a fertilização. Ele estudou o comportamento dos cromossomos durante a meiose e ajudou a esclarecer o seu papel na hereditariedade e no desenvolvimento dos organismos vivos. Entretanto, em sua descrição original da meiose, ele sugeriu que, na metáfase, todos os cromossomos de origem materna se alinhavam de um lado da placa equatorial, enquanto que os cromossomos de origem paterna se alinhavam do outro lado. Considere que um determinado animal fosse formado a partir da união dos gametas materno e paterno dado no esquema abaixo:

gametas

a) Se por acaso os gametas desse animal somente alinhasse os cromossomos maternos de um lado e os paternos do outro lado da placa equatorial, que tipos de gametas (quanto aos alelos que eles carregam) ele iria formar? Em primeiro lugar, o animal oriundo da união desses dois gametas teria genótipo AaBb. Se não houver restrições quanto ao processo de pareamento entre os cromossomos homólogos paternos e maternos (ou seja, se nada obrigar que os cromossomos  herdados do pai fiquem à esquerda e os da mãe, à direita), poderiam ser geradas as 4 combinações na metáfase I da meiose exemplificadas abaixo:

gametas

Como podemos observar, a forma como os cromossomos paternos e maternos se alinham na metáfase I determina o tipo de arranjo genético a ser encontrado nos gametas. Neste caso, para cada meiócito formado são produzidos apenas dois tipos de gametas, mas, como são possíveis 4 arranjos distintos e todos eles são esperados de ocorrer aleatoriamente, na média, um indivíduo AaBb formará 25% de gametas (AB), 25% (Ab), 25% (aB) e 25% (ab). Porém, neste exemplo, se tivéssemos a a limitação de alinhamento dos cromossomos paternos de um lado e maternos do outro (como exemplificado nos arranjos 3 e 4 da figura anterior), seriam possíveis de obtenção apenas gametas com os arranjos (aB) e (Ab), nas frequências de 50% cada neste indivíduo.


b) Quais seriam as consequências dessa maneira de distribuição cromossômica durante a formação dos gametas para um melhorista animal ou de plantas? Ele conseguiria, por exemplo, obter filhotes
AABB ou aabb caso dois animais iguais ao desse exemplo fossem cruzados entre si? Explique:

Se os arranjos paternos e maternos desses cromossomos não pudessem ser embaralhados, não haveria segregação independente nesses animais. Isso limitaria a obtenção de algumas combinações genotípicas. Por exemplo, nesse caso, seria possível obter apenas animais AAbb, aaBB e AaBb, tendo em vista que os descendentes desse cruzamento produziriam apenas gametas Ab e aB. Por outro lado, se considerarmos todas as possibilidades de embaralhamento, a chance de um gameta AB de um dos progenitores ser fecundado ou fecundar um gameta AB do outro progenitor seria 1/4 x 1/4 = 1/16, o que resultaria em um indivíduo AABB. Essa seria a mesma probabilidade para se conseguir um filhote aabb desse cruzamento.






A importância da segregação independente para a diversidade genotípica nas espécies

A tabela a seguir é uma generalização das proporções mendelianas esperadas para um indivíduo diploide (2n) e heterozigoto para n genes, cada um deles  apresentando apenas dois alelos:

tabela


A partir desses dados podemos preencher a seguinte tabela:

tabela

Podemos observar que, quantos mais locos em heterozigose, maior a quantidade de gametas e de genótipos com combinações alélicas diferentes:
  • Por exemplo, indivíduos AaBBCC produzirão apenas dois tipos diferentes de gametas (1/2 ABC e 1/2 aBC). Por outro lado, indivíduos AaBbCC, produzirão 1/4 ABC, 1/4 AbC, 1/4 aBCabC. E, por fim, indivíduos AaBbCc terão condições de formar 1/8 ABC, 1/8 ABc, 1/8 AbC, 1/8 Abc, 1/8 aBC, 1/8 aBc, 1/8 abCe 1/8 abc.
  • O mesmo tipo de raciocínio vale para as combinações genotípicas esperadas na geração F2. Por exemplo, do cruzamento entre indivíduos Aa x Aa, esperamos 3 combinações genotipicas na F2. E, para dois locos, como AaBb x AaBb, teremos 9 combinações esperadas: 1/16 AABB, 1/16 AAbb, 1/16 aaBB, 4/16 AaBb, 2/16 AABb, 2/16 AaBB, 2/16 aaBb, 2/16 Aabb e 1/16 aabb.