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Ligação gênica


Informações gerais:
  • Aprendemos com a segunda lei de Mendel que dois caracteres distintos governados por genes diferentes irão segregar de maneira independente.
  • Isso acontece por que os dois locos estarão localizados em cromossomos não homólogos, conforme exemplificado na figura abaixo:

segregacao


  • Seguindo esse princípio, se cruzarmos dois indivíduos de genótipo AaBb, deduzimos que a probabilidade de obtermos um animal AABB será:
  • P(AABB) = P(gameta AB) x P(gameta AB)
  • P(AABB) = 1/4 x 1/4
  • P(AABB) =  1/16 ou 6,25%

  • Por outro lado, um indivíduo Aabb deverá surgir numa frequência de:
              • P(Aabb) = P(gameta Ab) x P(gameta ab) ou P(gameta ab) x P(gameta Ab)
              • P(Aabb) = (1/4 x 1/4) + (1/4 x 1/4)
              • P(Aabb) = 1/8 ou 12,5%

  • O problema é que um mamífero deve possuir entre 20.000 a 30.000 genes em seu genoma:
    • Se ele for um humano, terá que distribuir todos esses genes em 23 cromossomos diferentes e se for um bovino, ele terá um pouco mais, 30 cromossomos.
    • Portanto, cada um dos nossos cromossomos deve carregar uma grande quantidade de genes.
      • Por outro lado, no sítio do NCBI (National Center for Biotechnology Information), um órgão dos EUA que fornece o acesso a um banco de dados de projetos genomas de vários organismos, é possível encontrar, dentre outras coisas, o mapa genético do gado http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome?term=bos%20taurus.

  • Como vimos anteriormente, os genes são sequências de nucleotídeos alinhadas em uma longa molécula de DNA, separados por sequências nucleotídicas não codificantes:
    • Devido a essa ligação física entre diferentes genes presentes em um mesmo cromossomo, existe uma tendência de que eles sejam herdados sempre juntos, principalmente aqueles locos que se situem muito próximos.
    • Assim, ao realizarmos cruzamentos envolvendo dois ou mais caracteres controlados por genes ligados, não iremos encontrar as mesmas proporções genotípicas e fenotípicas que as obtidas para genes localizados em cromossomos não homólogos.
    • Por exemplo, a figura abaixo representa um organismo com dois pares de cromossomos homólogos (um par azul e o outro vermelho), cada um deles com um conjunto distinto de genes:

ligacao

    • Se considerarmos apenas os locos A e S do primeiro e segundo par cromossômico, este conseguirá formar quatro tipos de gametas, todos numa mesma frequência, graças à segregação independente:
25% (AS)
25% (As)
25% (aS)
25% (as)

    • O mesmo será válido para qualquer combinação entre outros 2 genes desses dois cromossomos não homólogos (por exemplo, C/c e T/t ou B/d e U/u) .
    • Mas, para os locos S e T, como eles se encontram um ao lado do outro, este indivíduo praticamente irá formar 50% de gametas com o arranjo st e 50% de gametas com o arranjo ST, devido ao fenômeno de ligação gênica.
      • Quer dizer, dificilmente este indivíduo irá formar gametas com os arranjos sT e St.
        • Neste caso, a única maneira de se quebrar um determinado arranjo entre dois ou mais genes ligados é a partir do fenômeno de permuta ou crossing-over entre os cromossomos homólogos, conforme exemplificado no esquema abaixo:


ligacao

    • No esquema acima estão representadas três permutas simples (1 a 3) e uma permuta dupla (4) entre dois cromossomos homólogos (permutas simples são mais comuns de acontecer que as permutas duplas).
    • Além disso, em apenas 2 das 4 cromátides de cada par cromossômico houve recombinação (permutas envolvendo 2 cromátides são mais frequentes de ocorrência que aquelas envolvendo as 4 cromátides).

    • Como resultado de um evento de permuta, um indivíduo irá formar dois tipos de gametas:
      • Um que recebe a cromátide que não sofreu nenhuma recombinação, ou seja, que mantém o arranjo original (por isso é chamado de gameta com o arranjo parental ou P).
      • Um que recebe a cromátide recombinante, ou seja, que sofreu permuta entre os dos cromossomos originais (por isso é chamado de gameta com o arranjo recombinante ou R).

    • Voltando ao esquema anterior, vemos que a permuta pode criar novos arranjos entre os genes ligados:
      • Por exemplo, um arranjo cromossômico parental (P) do tipo AB e ab pode produzir, pela permuta, arranjos recombinantes (R) dos tipos Ab e aB.
      • O mesmo pode acontecer com os outros genes localizados nesse par cromossômico, porém, quanto mais próximo estiverem os genes em um cromossomo, menor será a quantidade de meiócitos que irão sofrer permuta especificamente entre eles, gerando menos gametas recombinantes.
        • Por exemplo, voltando à figura anterior, se considerarmos os locos A e B, que neste caso possui o arranjo parental AB e ab, encontraremos 4 recombinantes (2 Ab e 2 aB).
        • Por outro lado, para os locos A e D, mais distantes, encontraremos 6 recombinantes (3 Ad e 3 aD).



Exercício 1 - calculando a frequência de recombinantes para locos ligados e não ligados:


Na espécie 1 da figura abaixo, os genes A/a e B/b segregam de maneira independente. Já, na espécie 2 eles se encontram em um mesmo cromossomo, estando distantes entre si em cerca de 10 cM (centiMorgan). Diante dessas informações, determine a frequência dos diferentes tipos de gametas produzidos pelos seguintes genótipos:

ligacao

  • Na espécie 1, os genes alelos A/a e B/b estão localizados em cromossomos diferentes (não homólogos):
    • Portanto, um indivíduo heterozigoto AaBb irá formar  gametas AB, Ab, aB e ab, segundo os princípios da segregação independente:
      • Ou seja, cada um dos gametas deverá ser formado na frequência de 25% AB, 25% Ab, 25% aB e 25% ab.

  • Na espécie 2, os genes alelos A/a e B/b estão localizados em um mesmo cromossomo, a uma distância de 10 centimorgans (cM):
    • Isso significa que a taxa de permuta entre esses dois locos ocorre  a uma frequência de 10%, ou seja, isso nos informa que 90% dos seus gametas manterão o arranjo parental e 10% o arranjo recombinante.

  • Assim, a diferença entre os indivíduos (A) e (B) da espécie 2 é que o primeiro mantém um arranjo parental em associação:
    • Ou seja, os genes alelos dominantes AB em um cromossomo e os genes alelos recessivos ab no outro homólogo.
    • E, o segundo indivíduo, mantém um arranjo em repulsão, com os genes alelos aB no primeiro cromossomo e, o arranjo Ab, no outro.
    • Assim, os tipos de gametas formados por cada uma dessas espécies serão:

ligacao

    • Isso resultará nas seguintes frequências gaméticas nesses três indivíduos:

ligacao

  • Observe que a principal diferença entre genes que segregam independentemente (como na espécie 1), em relação aos que estão ligados em um mesmo cromossomo (como nas espécies 2 e 3), é que a taxa de formação dos gametas carregando os diferentes arranjos gênicos serão bastante distintas.



Exercício 2 - calculando a distância entre genes ligados:

No caupi, os genes I e C conferem resistência ao vírus da mancha anelar e ao vírus do mosaico, respectivamente. Já, os seus alelos recessivos i e c determinam a susceptibilidade a essas duas doenças. O cruzamento entre plantas heterozigotas para esses dois genes com plantas susceptíveis para essas duas doenças resultou na seguinte descendência:
      • 145 plantas resistentes aos dois vírus.
      • 151 plantas susceptíveis aos dois vírus.
      • 450 plantas resistentes apenas ao vírus da mancha anelar.
      • 440 plantas resistentes apenas ao vírus do mosaico.

  • Faça um teste de aderência de X² para o modelo de segregação independente para esses dois locos:
    • Considerando o modelo se segregação independente para esses dois locos, como se trata de um cruzamento-teste, esperaríamos o seguinte resultado:

P:
P1
Variedade heterozigota resistente ao vírus da mancha anelar e ao vírus do mosaico
(IiCc)
 X
P2
Variedade susceptível ao dois vírus
(iicc)




G:
25% (IC)
25% (Ic)
25% (iC)
25% (ic)
100% (ic)






25% IiCc (R1 e R2)
25% Iicc (R1 e S2)
25% iiCc (S1 e R2)
25% iicc (S1 e S2)

*R1: resistente ao vírus da mancha anelar; R2: resistente ao vírus do mosaico; S1: susceptível ao vírus da mancha anelar; S2: susceptível ao vírus do mosaico.

    • Com esses dados em mãos, fazemos o teste de X² para verificarmos o ajuste do nosso modelo:
x2

    • Comparando o X² do ajuste de nosso modelo com o X² de tabela de 7,82 (considerando 4 - 1 grau de liberdade e um alfa de 5%), temos que admitir que o modelo de segregação independente não se ajusta a esses resultados.
tabela


  • Caso o X² do modelo anterior seja significativo, teste a hipótese de ligação gênica:
    • Dadas as evidências contrárias ao modelo de segregação independente, podemos então testar a hipótese de ligação gênica:
      • Neste caso, temos duas possibilidades de ligação entre os genes I/i e C/c nos parentais:
          • Ligação em cis: quando os alelos dominantes dos locos estudados estão localizados em um cromossomo e os alelos recessivos no outro cromossomo.
          • Ligação em trans: quando os alelos dominantes e recessivos dos locos estudados estão dispersos nos cromossomos homólogos.

ligacao

      • Para genes ligados, a frequência dos gametas com o arranjo recombinante (R) e parental (P) são produzidos em frequências diferentes:

ligacao

        • Sendo assim, uma formação do tipo cis ou trans nos progenitores terá consequências na taxa de obtenção dos diferentes tipos de descendentes resistentes ou susceptíveis a esses dois vírus.

    • Com todas essas informações em mãos:
      • Analisando os resultados do cruzamento-teste para o feijão caupi e concentrando-se apenas nos gametas produzidos pelas plantas heterozigotas (já que P2 só produz gametas ic) fica fácil perceber quais arranjos foram mais frequentes (os que mantém o arranjo parental) e quais foram os mais raros (os que sofreram recombinação):

ligacao

        • Os gametas do P1 (heterozigoto) mais frequentes (e que mantém o arranjo parental) foram o Ic e iC.
        • E, os seus gametas mais raros (os recombinantes), foram o IC e ic.

    • Portanto, o arranjo desses genes no cromossomo das plantas heterozigotas utilizadas nesse cruzamento seria do tipo trans (repulsão):

ligacao

    • Esse arranjo no P1 deverá formar os seguintes tipos de gametas parentais (P) e recombinantes (R):
ligacao

  • Determine as distâncias entre esses genes:
    • Podemos agora estimar a frequência de recombinantes desse cruzamento (que vai equivaler à distância física entre esses dois locos):
ligacao

            • FR = [(145 + 151)/1186] x 100
            • FR = 24,96%

    • Essa informação também serve para estimarmos as frequências com que esse indivíduo produzirá cada um dos 4 tipos de gametas para esses dois locos:
ligacao
        • Ou seja, uma planta de caupi com genótipo Ic/iC deverá formar:
          • 37,5% de gametas com o arranjo parental Ic.
          • 37,5% de gametas com o arranjo parental iC.
          • 12,48% de gametas com o arranjo parental IC.
          • 12,48% de gametas com o arranjo parental ic.

  • Calcule as frequências esperadas segundo esse novo modelo e realize um teste de X² para verificar a sua adequação e interprete os resultados:
    • Com essas informações podemos calcular as frequências esperadas de cada combinação obtida na prole desse cruzamento, de acordo com o modelo de ligação:
ligacao

    • Agora temos todas as informações para testarmos a consistência do nosso modelo de ligação gênica para esse cruzamento teste:
ligacao

      • Comparando o X² do ajuste de nosso modelo com o X² de tabela de 7,82 (considerando 4 - 1 grau de liberdade e um alfa de 5%), podemos enfim aceitar o modelo de ligação gênica.
      • Assim, podemos considerar que os locos dos vírus da mancha anelar (I/i) e do mosaico (C/c) estão localizados em um mesmo cromossomo, estando distantes entre si em 24,96 centiMorgans (cM) ou unidades de mapa (um):

ligacao




Exercício 3 - estimando a chance de sucesso no melhoramento quando temos locos ligados:

Joaquim tem uma cabra e um bode de genótipo Ab/aB para o grupo de ligação 1 (o primeiro par de cromossomos desta espécie) e De/dE para o grupo de ligação 2 (o segundo par de cromossomos desta espécie), conforme representado na figura abaixo:

ligacao


Determine a frequência de gametas A/b, a/B, A/B e a/b produzida por esses animais:
  • A distância de 30 cM, quer dizer que a frequência de permuta nessa região é de 30%.
    • Ou seja, cerca de 30% dos gametas produzidos por um indivíduo heterozigoto para esses dois locos conterão o arranjo recombinante e, em 70% deles, será mantido o arranjo parental (não recombinante).

  • Neste caso, a cabra e o bode têm os arranjos parentais Ab e aB em cada um de seus cromossomos homólogos.
    • Assim, se houver recombinação nessa região serão formados cromossomos recombinantes do tipo AB e ab.
    • Portanto, para esse par de genes, se espera que um animal Ab/aB produza os seguintes tipos de gametas nas seguintes proporções:
      • Gameta recombinante AB = 15%.
      • Gameta recombinante ab = 15%.
      • Gameta parental Ab = 35%.
      • Gameta parental aB = 35%.


Determine a frequência de gametas D/e, d/E, d/e e D/E produzida por esses animais:
  • Seguindo o mesmo raciocínio do exercício anterior (uma vez que em ambas as situações os locos ligados estão em repulsão):
      • Gameta recombinante DE = 2,5%.
      • Gameta recombinante de = 2,5%
      • Gameta parental De = 47,5%.
      • Gameta parental dE = 47,5%.


Qual será a probabilidade destes animais gerarem um filhote AB/AB?
  • Como a frequência com que a cabra e o bode produzem gametas do tipo AB é de 15%, a chance deles terem um filhote AB/AB será:
P(AB/AB) = P(AB) x P(AB) = 0,15 x 0,15 = 0,0225 ou 2,25%


Qual será a probabilidade destes animais gerarem um filhote
DE/DE?
  • Seguindo o raciocínio anterior a chance deles terem um filhote DE/DE será:
P(DE/DE) = P(DE) x P(DE) = 0,025 x 0,025 = 0,000625 ou 0,0625%


Porque ambas as probabilidades obtidas nos dois grupos de genes não são iguais?
  • Porque a distância entre os genes analisados não é a mesma: enquanto os locos A e B estão localizados a 30 cM (e apresentarão 30% de recombinação por causa disso) os locos D e E estão distantes entre si em apenas 5 cM (ou seja, eles sofrerão recombinação nessa região em apenas 5% das vezes em que esses dois cromossomos se parearem).
  • Quer dizer, quanto mais junto estiver um gene do outro, menor será a frequência de permuta entre eles, o que dificultará a obtenção de indivíduos recombinantes.



Exercício 4 - mais um exercício envolvendo ligação gênica:

O cruzamento teste para a herança do formato do fruto e do tipo de inflorescência no tomateiro (Lycopersicum esculentum) indica que os genes que governam esses dois caracteres estão ligados em um mesmo cromossomo, como apontam os resultados da tabela abaixo:

Fenótipo Genótipo N
Redondo, simples AC/ac 23
Redondo, composto Ac/ac 85
Alongado, simples aC/ac 83
Alongado, composto ac/ac 19
Total

210

Relembrando:
  • Em um cruzamento teste, um indivíduo heterozigoto é cruzado com o tipo parental homozigoto recessivo:
    • Neste caso, o cruzamento que deu origem aos descendentes da tabela anterior foi:
AaCc x aacc

  • E, conforme o exercício comenta, os locos A/a e C/c estão ligados:
    • Portanto, o heterozigoto poderá apresentar um arranjo em associação (com os alelos dominantes A e C em um cromossomo homólogo e os alelos a e c no outro) ou em repulsão (cada cromossomo homólogo com um alelo dominante e um recessivo, como Ac e aC):
AC/ac ou Ac/aC

  • Então, além da distância entre esses dois locos, os dados obtidos nesse cruzamento poderão nos informar sobre qual arranjo gênico está  presente no  heterozigoto utilizado no cruzamento teste.


Calcule a distância genética entre esses dois genes:
  • Confirmamos que se trata de dois locos ligados porque, em um cruzamento teste para locos que segregam independentemente, a frequência esperada para cada uma 4 classes seria de 25% (ou seja, 0,25 x 210 = 52,5 indivíduos):
    • Acontece que, em duas dessas classes as frequências obtidas foram bem abaixo do esperado (23 e 19) e nas outras duas, bem acima (85 e 83).
    • E, se submetermos esses dados a um teste de X² para o ajuste do modelo de segregação independente, ele apontará que tais desvios são estatisticamente significativos (X² = 75,79).

  • Sabemos que, caso ocorra ligação gênica, os arranjos recombinantes (aqueles que dependem de permuta entre os locos estudados) serão mais raros que os que mantém o arranjo do tipo parental:
    • No nosso exemplo,como se trata de um cruzamento teste, não precisamos nos preocupar com os gametas obtidos pelo progenitor homozigoto recessivo ( ac/ac), pois ele somente irá nos fornecer gametas de um único tipo (ac).
    • Portanto, nos concentrando apenas nos gametas do progenitor heterozigoto, percebemos que os arranjos redondo/simples (AC) e alongado/composto (ac) foram mais raros que redondo/composto (Ac) e alongado/simples (aC).
        • Assim, AC e ac devem ser os arranjos recombinantes e Ac e aC, o parental.

  • Vimos anteriormente que a distância entre dois genes ligados é dado pela frequência de recombinação (FR), sendo calculada da seguinte forma:

FR = (número total de indivíduos recombinantes/total de indivíduos produzidos) x 100

  • No nosso exemplo:
    • FR(AC) = [(23 +19) / 210] x 100
    • FR(AC) = 20

  • Isso significa que a distância entre esses dois locos será de 20 cM:
ligacao


Como deve ser a conformação (acoplamento ou repulsão) desses genes no genitor heterozigoto utilizado nesse cruzamento?
    • Novamente, voltando aos resultados, vemos que os gametas do indivíduo heterozigoto utilizado nesse cruzamento produziu mais gametas com os arranjos (Ac) e (aC), que devem ser o arrajo presente nos cromossomos parentais.
      • Então, seu genótipo deve ser Ac/aC.
        • Ou seja, os alelos desses dois locos devem estar em repulsão nos cromossomos homólogos do heterozigoto:
ligacao




Exercício 5 - um último exercício envolvendo ligação gênica e melhoramento genético:

Seu Francisco possui duas linhagens homozigotas de tomateiro. Uma delas apresenta frutos lisos e compridos (Ec/Ec) e a outra possui frutos enrugados e redondos (eC/eC). Esses dois genes fazem parte de um mesmo grupo de ligação, estando distantes entre si em 17 cM. Acontece que o mercado consumidor prefere frutos arredondados e lisos. Sendo assim seu Francisco quer obter uma linhagem homozigota para essas duas características a partir das duas linhagens que ele já possui.


Como seu Francisco deverá proceder para alcançar o seu objetivo?
  • Seu Franscisco deverá iniciar uma série de cruzamentos entre essas duas linhagens homozigotas de tomateiro.
  • Em seguida, as plantas F1 serão cruzadas entre si para obtenção da geração F2, onde ele poderá obter uma linhagem homozigota que combine frutos lisos e arredondados.
    • É essa linhagem que ele deverá propagar para atender as exigências do mercado.


Qual será a probabilidade dele obter indivíduos com o genótipo desejado?
  • Representando os cruzamentos descritos anteriormente, e considerando a distância entre os dois locos, podemos calcular a frequência de gametas obtidos na geração parental e na F1:
ligacao

  • Assim, do encontro casual entre os gametas F1 para formação da geração F2, teremos as seguintes probabilidades:


EC (8,5%)
Ec (41,5%)
eC (41,5%)
ec (8,5%)
EC (8,5%) EC/EC
EC/Ec
EC/eC
EC/ec
Ec (41,5%) EC/Ec
Ec/Ec Ec/eC Ec/ec
eC (41,5%) EC/eC
Ec/eC eC/eC eC/ec
ec (8,5%) EC/ec
Ec/ec eC/ec ec/ec

  • O interesse de Seu Francisco é por uma linhagem homozigótica que produza frutos lisos (EE) e redondos (CC).
    • Vimos que os indivíduos F1 irão produzir gametas EC na frequência de 8,5%.
    • Portanto, a chance de obtenção de um indivíduo EC/EC será de:
P(EC/EC) =  (8,5 x  8,5) / 100 = 0,7225%, ou seja, menos de 1%

  • Só para comparação, se esses genes segregassem de maneira independente, a chance de Seu Francisco conseguir um recombinante EECC seria de:
P(EECC) = 0,25 x 0,25 = 0,0625 ou 6,5% (ou seja, cerca de 8 vezes maior)