Herança

Uma célula diploide (2n) possui dois conjuntos completos de cromossomos — um conjunto de cada progenitor. Uma célula haploide (n) possui apenas um conjunto.

*Um óvulo humano (ovócito) — um gameta haploide produzido por meiose

Os cromossomos vêm em pares de cromossomos homólogos: os dois cromossomos de um par têm o mesmo comprimento e carregam os mesmos genes (embora possam carregar versões diferentes deles).

*Um par homólogo carrega os mesmos genes nos mesmos loci, mas os alelos (versões) podem diferir

Gâmetas (células sexuais) devem ser haploides. Se fossem diploides, o número de cromossomos dobraria a cada geração. Portanto, gâmetas são produzidos por uma divisão especial, a meiose, que reduz pela metade o número de cromossomos.

A meiose possui duas divisões, uma após a outra, resultando em oito fases nomeadas: profase I, metáfase I, anafase I e telófase I, seguidas de profase II, metáfase II, anafase II e telófase II. Assim como na mitose, o envelope nuclear se desintegra, um fuso se forma e os cromossomos são movidos pelo fuso.

*Duas divisões reduzem à metade o número de cromossomas: a meiose I separa o par homólogo, a meiose II separa as cromátides — resultando em quatro gametas haploides

As fases da meiose, passo a passo

Antes que a meiose comece, cada cromossomo é copiado na interfase, formando duas cromátides-irmãs idênticas unidas no centrômero.

Assim, a meiose I separa os cromossomos homólogos (é aqui que o número é reduzido à metade), e a meiose II separa as cromátides, como na mitose.

Exemplo resolvido. Uma célula tem um número diploide de 8 ($2n = 8$). Quantos cromossomos e cromátides há em cada célula em (a) metafase I, (b) metafase II, (c) ao final da telofase II?

(a) Metafase I: nada ainda se separou, então há 8 cromossomos, cada um com duas cromátides: 16 cromátides. (b) Metafase II: a meiose I enviou um cromossomo de cada par para cada célula, portanto 4 cromossomos, ainda com duas cromátides cada: 8 cromátides. (c) Após a telofase II, as cromátides se separaram, então cada célula tem 4 cromossomos, cada um com uma única cromátide.

A meiose torna os gametas ** Geneticamente diferentes** entre si de duas formas:

• crossing over — cromossomos homólogos trocam pedaços equivalentes, misturando os alelos.

*Crossing over: cromossomas pareados trocam segmentos correspondentes num quiasma, criando novas combinações de alelos

• assortamento independente — os pares alinham-se em ordem aleatória, assim cada gameta recebe uma mistura aleatória dos cromossomos do progenitor.

*Assortamento independente: os pares de cromossomas alinham-se numa ordem aleatória, pelo que os gametas recebem muitas misturas diferentes

Então, na fecundação, qualquer gameta pode fundir-se com qualquer outro. Essa fusão aleatória torna cada novo indivíduo geneticamente diferente.

Quantas combinações? Com $n$ pares de cromossomos homólogos, apenas a segregação independente pode produzir $2^n$ combinações diferentes nos gametas. Um ser humano tem 23 pares, de modo que uma pessoa pode produzir $2^{23}$ (cerca de 8 milhões) tipos de gameta, antes que a permuta cromossômica acrescente ainda mais possibilidades. Dois pais podem então produzir $2^{23} \times 2^{23}$ (cerca de 70 trilhões) combinações diferentes de cromossomos em seus filhos.

Deve conhecer estes termos exatamente:

• um gene é um segmento de DNA que codifica uma proteína. Sua posição em um cromossomo é seu locus.
• um alelo é uma versão de um gene.
• um alelo dominante expressa seu efeito mesmo quando apenas uma cópia está presente; um alelo recessivo só se expressa quando duas cópias estão presentes.
• alelos codominantes ambos expressam seus efeitos juntos.
• o genótipo são os alelos que um organismo possui; o fenótipo são as características visíveis.
• homozigoto significa que os dois alelos são iguais; heterozigoto significa que são diferentes.
• um cruzamento teste cruza um organismo com o homozigoto recessivo para determinar seu genótipo desconhecido.

Você representa um cruzamento com um diagrama genético, frequentemente usando um quadrado de Punnett — uma grade que mostra todas as formas pelas quais os gametas podem combinar-se.

*Um quadrado de Punnett para Tt × Tt: a descendência é 3 altos : 1 baixo (T é dominante)

• um cruzamento monohíbrido segue um único gene; um cruzamento diibrido segue dois genes simultaneamente.
• alguns genes têm múltiplos alelos (mais de duas versões na população), como os alelos para grupos sanguíneos humanos.
• no ligação sexual, o gene está no cromossomo X, então o resultado difere entre machos e fêmeas.
• na ligação, genes no mesmo autossoma (um cromossomo não sexual) tendem a ser herdados juntos.
• na epistasia, um gene afeta como outro gene é expresso.

Cruzamentos resolvidos

Codominância. Em uma planta, os alelos $\text{C}^\text{R}$ (vermelho) e $\text{C}^\text{W}$ (branco) são codominantes: o heterozigoto $\text{C}^\text{R}\text{C}^\text{W}$ é rosa. Cruze duas plantas rosas. Gametas: $\text{C}^\text{R}$ ou $\text{C}^\text{W}$ de cada uma. Descendentes: $\text{C}^\text{R}\text{C}^\text{R}$ (vermelho) : $\text{C}^\text{R}\text{C}^\text{W}$ (rosa) : $\text{C}^\text{W}\text{C}^\text{W}$ (branco) $= 1:2:1$. Na codominância, cada genótipo tem seu próprio fenótipo, de modo que a proporção não é 3:1. Os alelos codominantes são escritos com a letra do gene e sobrescritos, nunca com letras maiúsculas e minúsculas.

Alelos múltiplos. O gene do grupo sanguíneo ABO tem três alelos: $\text{I}^\text{A}$ e $\text{I}^\text{B}$ são codominantes, e $\text{I}^\text{o}$ é recessivo em relação a ambos. Um homem do grupo A ($\text{I}^\text{A}\text{I}^\text{o}$) e uma mulher do grupo B ($\text{I}^\text{B}\text{I}^\text{o}$) podem ter filhos dos quatro grupos: $\text{I}^\text{A}\text{I}^\text{B}$ (AB), $\text{I}^\text{A}\text{I}^\text{o}$ (A), $\text{I}^\text{B}\text{I}^\text{o}$ (B) e $\text{I}^\text{o}\text{I}^\text{o}$ (O), cada um com probabilidade de $1/4$.

Herança ligada ao sexo. A hemofilia é causada por um alelo recessivo $\text{X}^\text{h}$ no cromossomo X; o cromossomo Y não possui uma cópia do gene. Uma mulher portadora ($\text{X}^\text{H}\text{X}^\text{h}$) e um homem sem hemofilia ($\text{X}^\text{H}\text{Y}$):

Cada filho homem tem uma chance de $1/2$ de ter hemofilia; nenhuma filha tem a condição, mas metade é portadora. Homens precisam de apenas um alelo recessivo para manifestar a condição, pois têm apenas um cromossomo X; por isso, condições recessivas ligadas ao sexo são muito mais comuns em homens. Um pai transmite seu cromossomo X a todas as filhas e a nenhum dos filhos homens.

Cruzamento diíbrido. Em ervilhas, a semente lisa (R) é dominante sobre a rugosa (r), e a amarela (Y) é dominante sobre a verde (y), e os dois genes estão em cromossomos diferentes. Cruze duas plantas heterozigotas para ambos, RrYy × RrYy. Cada parental produz quatro tipos de gameta em quantidades iguais, pois os genes segregam independentemente: RY, Ry, rY e ry. Um quadro de Punnett de 4 × 4 fornece 16 combinações:

Assim, a proporção é 9:3:3:1. Um cruzamento-teste diíbrido (RrYy × rryy) fornece 1:1:1:1.

Ligação autossômica. Se os dois genes estiverem próximos no mesmo cromossomo, eles não segregam independentemente: os alelos de um cromossomo tendem a ir para o mesmo gameta. Um cruzamento que produziria 9:3:3:1 produz então principalmente as duas combinações parentais e apenas alguns descendentes recombinantes — aqueles formados quando ocorre permuta cromossômica entre os dois loci. Um cruzamento-teste que produz muito mais de 25% de cada tipo parental e muito menos das novas combinações mostra que os genes estão ligados.

Epistasia. Em camundongos, o gene A controla a produção de pigmento: A (produção de pigmento) é dominante sobre a (ausência de pigmento, branco). O gene B controla a cor do pigmento: B (aguti, pelos cinza-acastanhados) é dominante sobre b (preto). Camundongos aa são brancos independentemente de seus alelos do gene B: o gene A é epistático ao gene B. AaBb × AaBb produz 9 A_B_ (aguti), 3 A_bb (preto) e 4 aa (branco, independentemente de seus alelos B), de modo que a proporção é 9:3:4 em vez de 9:3:3:1. Outras formas de epistasia produzem 9:7, 12:3:1 ou 15:1. Uma proporção diíbrida de 16 partes que não seja 9:3:3:1 sugere epistasia.

O teste qui-quadrado compara os resultados que você realmente observou (os valores observados, $O$) com os resultados esperados a partir do diagrama genético (os valores esperados, $E$). Ele indica se a diferença é pequena o suficiente para ser atribuída ao acaso ou grande o suficiente para indicar outro fator.

Soma-se, para cada grupo, a diferença quadrada entre o observado e o esperado, dividida pelo esperado:

Em seguida, compara-se este valor $\chi^2$ com um valor crítico de uma tabela. A linha utilizada é definida pelos graus de liberdade (número de grupos menos 1). Se $\chi^2$ for menor que o valor crítico, a diferença não é significativa — os resultados se ajustam à proporção esperada, e qualquer diferença é apenas acaso. Se $\chi^2$ for maior que o valor crítico, a diferença é significativa, indicando que algum outro fator está envolvido.

Exemplo resolvido. Um cruzamento $\text{Tt} \times \text{Tt}$ produz $160$ descendentes: $114$ altos e $46$ baixos. Teste se isso se ajusta à proporção esperada de $3:1$.

Os números esperados são $\tfrac{3}{4} \times 160 = 120$ altos e $\tfrac{1}{4} \times 160 = 40$ baixos. Então:

Há $2$ grupos, logo graus de liberdade $= 2 - 1 = 1$. O valor crítico em $p = 0.05$ é $3.84$. Como $1.20 < 3.84$, a diferença não é significativa: os resultados se ajustam a uma proporção de $3:1$, e a pequena diferença deve-se ao acaso.

Exemplo resolvido (um cruzamento diíbrido). Espera-se que um cruzamento diíbrido produza 9:3:3:1. Entre 320 descendentes, as contagens são 196, 52, 58 e 14. O resultado apresenta boa concordância?

$\chi^2 = 1.42 + 1.07 + 0.07 + 1.80 = 4.36$. Há 4 classes, portanto 3 graus de liberdade; o valor crítico em $p = 0.05$ é 7.82. Como $4.36 < 7.82$, a diferença não é significativa: os resultados se ajustam a 9:3:3:1, de modo que os genes provavelmente segregam independentemente. Se $\chi^2$ fosse maior que 7.82, a diferença seria significativa, sugerindo que os genes estão ligados ou que há epistasia envolvida.

Um gene codifica uma proteína, e essa proteína afeta o fenótipo. Se o gene estiver defeituoso, a proteína estará defeituosa, e o fenótipo mudará:

Gibrelina e altura do caule

Em plantas de ervilha, o alelo dominante Le codifica uma enzima funcional que produz giberelina, permitindo que a planta cresça alta por elongação do caule. O alelo recessivo le codifica uma enzima inativa, resultando em pouca giberelina e planta anã.

Nem todos os genes estão ligados o tempo todo. As células controlam quais proteínas produzem.

• genes estruturais codificam proteínas úteis, como enzimas; genes regulatórios controlam se outros genes são ativados ou não.
• uma enzima indutível é produzida apenas quando necessária; uma enzima reprimível é normalmente produzida, mas pode ser desligada.

O operon lac

Em um procarioto, como uma bactéria, um grupo de genes chamado operon lac controla a digestão da lactose:

• quando não há lactose, uma proteína repressora liga-se ao operador (uma sequência curta de controle dentro do operon) e bloqueia a transcrição, impedindo a produção das enzimas digestivas.
• quando a lactose está presente, ela liga-se à repressora e a remove. A transcrição pode então ocorrer, e as enzimas são produzidas. Portanto, as enzimas são indutíveis.

Em mais detalhes. O operon é um trecho de DNA com um promotor (onde a RNA polimerase se liga), o operador e três genes estruturais que são transcritos juntos em um único RNAm:

• lacZ codifica a β-galactosidase, que hidrolisa a lactose em glicose e galactose;
• lacY codifica a permease da lactose, uma proteína transportadora que leva a lactose para dentro da célula;
• lacA codifica a transacetilase.

Um gene regulador separado, lacI, fora do operon, codifica a proteína repressora. O repressor tem dois sítios de ligação: um se encaixa no operador, e o outro, na lactose. Quando a lactose se liga, o repressor muda de forma e deixa de conseguir se ligar ao operador, permitindo que a RNA polimerase avance ao longo dos genes estruturais. Assim, a bactéria produz as enzimas apenas quando há lactose para ser utilizada e não desperdiça energia e aminoácidos produzindo-as em outros momentos. Quando toda a lactose é consumida, o repressor volta a se ligar ao operador.

Uma mutação no operador que impeça a ligação do repressor, ou em lacI que produza um repressor incapaz de se ligar ao operador, faz com que as enzimas sejam produzidas o tempo todo, com ou sem lactose.

Controle em eucariotos

Em eucariotos, fatores de transcrição são proteínas que se ligam ao DNA e controlam a expressão gênica, aumentando ou diminuindo a taxa de transcrição.

A gibrelina ativa genes dessa forma: causa a degradação de repressores da proteína DELLA. Esses fatores DELLA normalmente bloqueiam os fatores que ativam a transcrição, portanto, removê-los permite que esses genes sejam expressos.

Um fator de transcrição atua ligando-se à região promotora de um gene. Alguns ajudam a RNA polimerase a se ligar (ativando o gene); outros bloqueiam sua ligação. Os hormônios frequentemente agem por meio de fatores de transcrição: um hormônio esteroide, como o estrogênio, atravessa a membrana plasmática e se liga a uma proteína receptora no citoplasma, e o complexo hormônio–receptor entra no núcleo e atua como fator de transcrição. É assim que um tipo de célula pode expressar um conjunto de genes diferente do de outro, embora tenham o mesmo DNA.

Erros comuns.

• Dizer que o número de cromossomos diminui na meiose II. A redução ocorre na meiose I, quando os pares homólogos se separam; a meiose II separa as cromátides-irmãs.
• Misturar cromossomos homólogos com cromátides-irmãs. Cromossomos homólogos vêm de pais diferentes e podem carregar alelos distintos; cromátides-irmãs são cópias idênticas unidas pelo centrômero.
• Dizer que o crossing over ocorre entre cromátides-irmãs. Ele acontece entre cromátides de dois cromossomos homólogos em um bivalente; trocar pedaços idênticos não geraria variação.
• Tratar gene e alelo como sinônimos. O gene refere-se a uma característica (cor dos olhos); os alelos são suas variações (azul, marrom).
• Em um teste qui-quadrado, usar percentuais ou proporções em vez dos números de descendentes, ou comparar com 3.84 quando há mais de um grau de liberdade.

• Organize um cruzamento completamente: genótipos parentais → gametas (em círculos) → quadrado de Punnett → proporção e fenótipos dos descendentes.
• Use o teste qui-quadrado para comparar o observado com o esperado; graus de liberdade $=$ classes $- 1$, compare com $3.84$ em $p = 0.05$.
• Reconheça codominância, múltiplos alelos, ligação sexual, epistasia e ligação — cada uma altera a proporção esperada.
• A meiose cria variação através do crossing-over e do agrupamento independente — mencione ambos.
• Escreva os alelos codominantes e ligados ao sexo com sobrescritos ($\text{C}^\text{R}\text{C}^\text{W}$, $\text{X}^\text{H}\text{X}^\text{h}$) e mostre o cromossomo Y sem alelo.
• Aprenda as proporções esperadas: 3:1, 1:2:1 (codominância), 1:1 (cruzamento-teste), 9:3:3:1 e 1:1:1:1 (diibridismo), 9:3:4 (epistasia).
• Muitos tipos parentais e poucos recombinantes em um cruzamento-teste diíbrido indicam que os genes estão ligados.
• Operon lac: gene regulador → repressor; a lactose liga-se ao repressor, mudando sua forma para que ele se desprenda do operador.