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D Genética

Uma introdução à Genética

Por: Carla Cruz, Bióloga, Mestre em Produção Animal e Doutoranda em Ciência Animal Fotos: Shutterstock

A compreensão dos princípios básicos da genética é actualmente uma necessidade, principalmente para quem pretende enveredar pela criação de animais. Se juntar o “Boby” com a “Lulu” para produzir uma ninhada de cachorrinhos “lindos como a mãe/pai” não tem aparentemente nada de complicado, quem pretende fazer um trabalho sério de selecção e melhoramento tem de compreender os princípios básicos da genética e interiorizar como os pode usar para tentar alcançar os seus objectivos minimizando os riscos incorridos. Ao longo dos próximos números irei abordar alguns temas relacionados com esta temática, começando primeiro com uma apresentação de alguns conceitos necessários para uma boa compreensão do assunto.

A

genética é uma área da ciência que tem vindo a ter um crescimento tremendo nos últimos tempos. Todos os dias são publicadas numerosos artigos de investigação visando áreas tão distintas como a relação entre diferentes populações, raças e/ou espécies ou a descoberta dos genes que causam determinada patologia ou característica. No entanto, é uma ciência relativamente jovem, que 34 Cães&Companhia

vive um grande boom desde a segunda metade do século XX, após a descoberta das bases físicas e moleculares para a transmissão dos caracteres de uma geração à outra.

Um pouco de história

Até meados do séc. XIX, havia numerosas teorias sobre como os caracteres eram transmitidos de pais para filhos.


Por exemplo, uma teoria popular nessa época era a que os filhos herdavam uma mistura média dos caracteres dos pais. Outra teoria era a da hereditariedade dos caracteres adquiridos, popularizada por Jean-Baptiste Lamarck, que dizia que os filhos herdavam características que tinham sido reforçadas (adquiridas) pelos seus pais. Darwin elaborou a hipótese da pangénese, na qual “gémulas” provenientes das células do corpo seriam recolhidas nos órgãos reprodutivos, de forma que todas as células teriam um “voto” na constituição da descendência. No entanto, em 1865, o monge austríaco Gregor Mendel apresenta um estudo no qual relata a hereditariedade de algumas características de ervilheiras e a descreve de forma matemática. Apesar de o padrão descrito apenas ser observável em alguns traços, o seu trabalho sugeria que as características eram transmitidas sob a forma de partículas, não ocorrendo portanto a transmissão dos caracteres adquiridos, e que os padrões de hereditariedade de muitos traços podiam ser descritos através de regras e relações simples. Porém, a importância da investigação de Mendel passou despercebida na altura, e apenas em 1900 foi apercebida, quando o seu estudo foi redescoberto devido a duplicação independente por Hugo de Vries e Carl Correns. Em 1905, William Bateson, um adepto do trabalho de Mendel, populariza o termo genética para descrever o estudo da hereditariedade. Após a redescoberta dos estudos mendelianos, os investigadores tentaram determinar que moléculas na célula eram responsáveis pela hereditariedade. Em 1910, Thomas Hunt Morgan sugere que os genes estavam localizados nos cro-

Alguns conceitos

Membrana da célula

Mitocôndrias

Núcleo (onde se situam os cromossomas)

mossomas, com base em observações efectuadas numa mutação relacionada com o sexo que levava a olhos brancos nas moscas da fruta (Drosophila melanogaster, uma das espécies mais popularmente usadas como modelo em estudos biológicos). Em 1913, o seu aluno Alfrede Sturtevant mostra que os genes estão dispostos de forma linear nos cromossomas. Porém, os cromossomas são compostos por proteínas e ADN (Ácido Desoxirribonucleico). Qual deles seria responsável pela transmissão dos caracteres? Em 1944, Oswald Theodore Avery, Colin McLeod e Maclyn McCarty confirmaram que era o ADN a molécula responsável pela transferência do material genético, e em 1953, James D. Watson e Francis Crick, com base no trabalho de Rosalind Franklin e Maurice Wilkins, descobrem a

Citoplasma

estrutura do ADN, permitindo perceber como funciona a hereditariedade. Estes investigadores descobriram que o ADN tem uma estrutura helicoidal, sendo uma dupla hélice de cadeias de ADN, com os nucleótidos (as unidades estruturais do ADN) de uma cadeia orientados para o lado de dentro da hélice e emparelhando com um nucleótido complementar da cadeia oposta, formando uma espécie de “escada”. Esta estrutura evidenciou que existe informação genética na sequência de nucleótidos em cada cadeia de ADN e sugeriu um método simples de duplicação – se as cadeias forem separadas, podem ser reconstruídas novas cadeias baseadas na sequência das cadeias originais

Nas células, o ADN organiza-se de uma forma muito enrolada sobre si própria e conjuga-se com proteínas para formar os cromossomas. Nos animais, a maioria dos cromossomas localiza-se no núcleo das células (existem também cromossomas nas mitocôndrias, as “fábricas energéticas” das células, e, nas plantas, também nos cloroplastos, mas vamos focar-nos no material genético existente no núcleo, que é o que codifica para a esmagadora maioria das características observáveis). Na maioria dos animais, os cromossomas ocorrem aos pares, sendo que um deles é herdado do pai e o outro da mãe. Cada cromossoma de um par tem normalmente uma composição semelhante ao outro, excepto nos detalhes mais finos de cada gene, e designamse portanto por cromossomas homólogos. Exceptuam-se porém os cromossomas sexuais, em que ocorre tamanho e composição algo diferente entre os cromossomas X e Y. O cromossomas sexuais designam-se por gonossomas, enquanto que os restantes cromossomas são chamados de autossomas. Nas pessoas existem 23 pares de cromossomas e nos cães, 39 pares. À composição genética de um indivíduo

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Interacções entre os alelos do mesmo gene

chama-se genótipo, sendo o fenótipo qualquer característica que se observe no organismo (por exemplo, aspectos morfológicos, de produção, bioquímicos, etc.). O fenótipo resulta da interacção do genótipo com o ambiente, o que significa que nem todos os indivíduos com o mesmo genótipo irão ter o mesmo aspecto ou comportamento, pois estes irão ser modificados pelas condições ambientais e de desenvolvimento. O gene é a unidade elementar da hereditariedade, que transmite a informação básica que irá ser expressa de alguma forma. É um segmento do ADN, com uma localização específica no cromossoma (denominada locus, ou loci no plural). Um alelo é cada uma das variantes de um gene, codificando para alguma diferença nessa informação básica. Na população em geral, cada gene pode ter vários alelos; no entanto, em cada indivíduo apenas ocorrem 2 alelos (iguais ou diferentes), um herdado do pai, outro da mãe. Quando estes dois alelos são iguais, diz-se que o indivíduo é homozigótico para o gene em questão; quando são diferentes, o indivíduo é heterozigótico.

Reprodução sexuada: aspectos genéticos

De forma a se poder produzir um indivíduo em que metade dos seus genes provenham do pai e a outra metade da mãe, é necessário um mecanismo que permita, nas células sexuais, reduzir a informação genética dos progenitores 36 Cães&Companhia

a metade (caso contrário cada geração teria o dobro da informação genética da anterior). Esse mecanismo é a meiose, no qual a partir de uma célula se obtêm 4 com metade da informação genética original. Na primeira fase da meiose ocorre a duplicação do material genético, e esta fase é particularmente importante, pois nesta ocasião podem ocorrer trocas de material genético entre cromossomas homólogos (um fenómeno denominado de crossing-over), o que pode originar novas combinações genéticas não existentes no progenitor (naturalmente não se trata da criação de novos genes ou alelos, mas diferentes combinações entre os alelos de genes próximos entre si). Em seguida, ao serem originadas duas células com a mesma quantidade total de informação genética que a célula original, cada cromossoma de um par migra aleatoriamente para uma célula ou outra. Na 2ª fase da meiose, cada nova célula dá origem a duas novas células, mas desta vez sem ocorrer duplicação do material genético, pelo que se originam assim globalmente 4 células com metade do número de cromossomas original. No caso dos machos, irão ser produzidos 4 espermatozóides; nas fêmeas apenas irá ser originado um oócito (“óvulo”), pois as outras 3 células degeneram. Um dos aspectos importantes a considerar com a ocorrência do crossing-over é que genes com loci próximos irão tender a ser trocados conjuntamente, um fenómeno denominado de linkage. Isto sig-

nifica que a selecção para determinadas características poderá inadvertidamente levar à co-selecção de outras características (desejadas ou não), por os seus genes estarem fisicamente próximos no cromossoma. Um exemplo é o que sucede com o Dálmata. Esta raça apresenta uma coloração da pelagem única, com pintas perfeitamente bem definidas sobre um fundo branco. Apresenta também hiperuricosuria e hiperuricemia (níveis elevados de ácido úrico no sangue e urina). A selecção para o seu tipo de pelagem levou à selecção (naturalmente não intencional) destes problemas, em virtude de os genes para as duas características estarem localizados muito próximos no mesmo cromossoma, pelo que tendem a ocorrer juntamente.

Classicamente, pensamos que as interacções entre os alelos do mesmo gene são de simples dominância ou recessividade. Um alelo dominante é aquele em que o seu efeito “camufla” o efeito do outro alelo, ou seja, quer o indivíduo possua duas o apenas uma cópia desse alelo, o seu efeito irá ser manifestado. Em contrapartida, um alelo recessivo é aquele cujo efeito só se manifesta quando o indivíduo possui duas cópias idênticas. Analisando um pedigree (uma árvore genealógica), os alelos dominantes, normalmente, são fáceis de detectar, pois a característica ocorre em todas as gerações. Já no caso dos alelos recessivos, poderão passar-se gerações sem que se manifeste, pois é necessário o cruzamento de dois indivíduos portadores do alelo para que apareça um indivíduo que herde essas duas cópias e apresente a característica. Mas nem todas as interacções entre os alelos são de simples dominância e recessividade, existem várias outras interacções entre os alelos, que poderão originar efeitos entre ambos os extremos, ou inclusive superiores aos de cada alelo em si. Por exemplo, quando ocorre semi-dominância, o indivíduo heterozigótico apresenta um fenótipo precisamente intermédio entre o de ambos homozigóticos. No caso da dominância incompleta, o heterozigótico tem um fenótipo diferente do dos homozigóticos, mas assemelha-se mais a um deles. Já no caso da co-dominância, ambos os alelos contribuem para o fenótipo (como ocorre, por exemplo, com o grupo sanguíneo AB das pessoas). Frequentemente, a co-dominância, a semi-dominância e a dominância incompleta são difíceis de distinguir em termos práticos. Pode também ocorrer so-

bre-dominância,


na qual o valor do heterozigótico excede o de qualquer um dos homozigóticos.

Hereditariedade ligada ao sexo

Existe também hereditariedade ligada ao sexo, que diz respeito a genes localizados nos cromossomas sexuais. Nos mamíferos, as fêmeas possuem dois cromossomas X e os machos possuem um cromossoma X e um cromossoma Y, mais pequeno e com uma constituição genética algo diferente. Logo, genes que apenas estejam localizados no cromossoma Y apenas se irão manifestar nos machos, e apenas estes os podem transmitir. No caso de genes no cromossoma X, como os machos apenas possuem uma cópia do cromossoma, irão sempre manifestar os efeitos do alelo que possuam em determinado gene, quer seja dominante ou recessivo; como as fêmeas possuem 2 cromossomas X, nelas o comportamento dos genes será semelhante ao dos autossomas. A hereditariedade ligada ao sexo não deve ser confundida com a hereditariedade limitada ao sexo. Esta diz respeito a caracteres que apenas se manifestam num sexo, quer os seus genes se localizem num autossoma ou num gonossoma. Por exemplo, a criptorquidia (ausência de um testículo) obviamente apenas se manifesta nos machos; a produção de leite apenas se manifesta nas fêmeas - isto apesar de tanto os machos como as fêmeas terem e transmitirem genes que codificam para estas características.

Factores que influenciam a expressão fenotípica dos genes

Nem sempre os efeitos de um gene se expressam da mesma forma, ou seja, nem todos os indivíduos que têm um determinado alelo irão apresentar a característica por ele definida. Assim, a penetrância é a proporção de indivíduos com um dado alelo que vão efectivamente expressar a característica associada. Por outro lado, é necessário ter também em consideração a expressividade, ou seja, a variação na expressão da característica dos indivíduos com um dado genótipo. Estes factores são importantes quando se tenta determinar o modo de transmissão de alguma característica, pois podem “camuflá-lo” e complicar a sua identificação em termos de genes, alelos e forma de dominância.

Um Gene = Uma Característica?

Classicamente, considera-se que cada gene codifica para uma única característica. Por exemplo, no caso das ervilheiras que Mendel estudou,

um gene codifica para as ervilhas terem pele lisa ou rugosa; nos cães um gene codifica para os cães terem pêlo curto ou comprido. Porém, a realidade da maioria dos genes é algo diferente. Muitos genes codificam efectivamente para mais de uma característica. Por exemplo, o gene K, que determina se o cão vai ter uma pelagem uniformemente coberta de eumelanina (pigmento preto/castanho) ou vai apresentar as cores codificadas pelos outros genes relativos à cor, também influencia as ß-defensinas, com função no sistema imunitário. Nos genes que codificam para a presença ou ausência de pelo, ou para certas formas de anuria (ausência de cauda), a homozigotia dominante é letal no decurso do desenvolvimento embrionário, pelo que certamente terão influência em outros factores para além da característica a que nos habituámos a associar-lhes. Existem também genes cuja acção vai influenciar a expressão de outros genes diferentes, um efeito que se chama

epistasia. Por exemplo, nos cães no gene E (ou melhor, no gene MC1R, popularmente designado por Extensão), o alelo dominante E vai permitir que o cão apresente as cores codificadas pelos restantes genes de cor, o alelo intermédio Em tem o mesmo efeito que o alelo E, mas com a ocorrência de uma máscara escura no focinho; mas já o alelo recessivo e, em homozigotia, vai impedir a expressão da eumelanina, e o cão apenas irá apresentar feomelanina (o pigmento amarelo/vermelho). Ou seja, este gene vai interagir (vai ter um efeito epistático) com outros genes, permitindo ou impedindo a sua expressão normal. Outro exemplo é o gene que codifica para a ocorrência de merle (que dilui aleatoriamente áreas de eumelanina), que aumenta o tamanho das malhas brancas (cujo tamanho e distribuição é codificada por outro gene) e afecta a audição e a visão (está relacionado com a microftalmia). Adicionalmente, tem-se constatado que a mesma característica visível pode ser causada por diferentes genes. Por exemplo, tem sido constatado que a atrofia progressiva da retina é causada por diferentes genes em diferentes raças; em algumas raças mais populares, há mesmo mais que um gene a causar essa patologia.

Caracteres de variação contínua

Até agora estivemos a considerar apenas o caso em que uma característica é codificada por um único gene, eventualmente influenciado por outro. Porém, a maioria dos

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caracteres num organismo não dependem apenas da acção de um gene, mas sim da acção de vários genes. São os caracteres de variação contínua, com uma base genética, mas cuja expressão é também influenciada pelo ambiente. Neste tipo de caracteres, poucos indivíduos irão manifestar os aspectos extremos desses caracteres; a maioria irá antes apresentar um contínuo de valores intermédios. Alguns exemplos são a produção do leite, a cor da pele, a altura, o peso, características que na população variam continuamente, não são caracteres que se expressam de forma discreta (ou ocorrem ou não). Neste tipo de caracteres, ao tentar-se seleccionar uma dada característica não se está a promover algum determinado alelo num dado gene, mas sim alelos, e combinações entre alelos, numa multitude de genes. Neste tipo de caracteres, apesar de a base ser genética (ou seja, a característica não se manifesta se não houver a combinação certa de alelos nos genes envolvidos), ocorre a influência do ambiente. Por exemplo, imaginemos que um indivíduo tem uma determinada constituição genética que lhe permite alcançar uma determinada altura. Nas condições ambientais adequadas, irá alcançar o tamanho permitido pelos seus genes; porém, se as suas condições (por exemplo, a nutrição) não forem adequadas, não irá poder expressar plenamente o seu potencial. A displasia da anca é um outro exemplo. Sabe-se que é causada por vários genes (é poligénica). Para a 38 Cães&Companhia

sua manifestação, é necessária não só uma constituição genética adequada, mas também condições ambientais que as propiciem. Um cão que não tenha os alelos que a propiciem, nos genes envolvidos, nunca irá ter displasia da anca, por muito impróprias que sejam as condições em que vive, enquanto um cão que tenha uma constituição genética propiciando a ocorrência de displasia irá muito provavelmente manifestá-la mesmo que as condições ambientais sejam óptimas, ocorrendo ainda todo o espectro de situações intermédias.

Heritabilidade

Para se ter uma ideia do impacto que a selecção pode ter nos caracteres de variação contínua, existe o conceito de heritabilidade, que diz respeito à proporção da variação do carácter que pode ser atribuída à variação genética, ou seja, dá uma ideia da “transmissibilidade” de uma característica. Este valor varia entre 0, em que toda a varia-

ção observada é devida ao ambiente, e 1, em que toda a variação é devida ao efeito dos genes. Os caracteres relacionados com a reprodução tendem a ter uma heritabilidade baixa (h2<0.2), ou seja, os esforços de selecção na melhoria destes caracteres têm um reduzido impacto; os caracteres relacionados com o crescimento e aspectos produtivos dos animais têm uma heritabilidade intermédia (0.2<h2<0.4); os caracteres relacionados com a composição e qualidade (por exemplo, da carne nas espécies pecuárias) têm uma heritabilidade considerada elevada (h2<0.4).

Exemplo prático

Apesar de não ser fácil ou linear prever o resultado de um cruzamento quando estamos a considerar caracteres de variação contínua, fazê-lo no caso de características discretas, que se sabe serem codificadas por um ou poucos genes é bastante mais fácil, e é bastante útil no planeamento de emparelha-

mentos com vista a obter um determinado resultado. Vejamos um exemplo simples de como isto funciona. Pensemos, por exemplo, no Retriever do Labrador. Esta raça de cães pode apresentar 3 cores: preta, castanha e amarela. O gene que codifica para os pêlos serem pretos ou castanhos está identificado, é o gene TYRP1 (ou B na literatura popular), sendo que o preto e o castanho são alelos diferentes deste gene – em que o preto é o alelo dominante e o castanho é o alelo recessivo (na realidade existem 3 alelos diferentes para o castanho, mas como o efeito fenotípico é o mesmo, vamos considerar apenas 1 alelo para o castanho para simplificar o raciocínio). Chamemos ao alelo dominante B e ao alelo recessivo b (é normal designar-se o alelo dominante com letra maiúscula e o recessivo com letra minúscula); vamos esquecer por agora os cães amarelos. Como o castanho é recessivo, se o cão for castanho sabemos de imediato que no gene TYRP1, ambos os alelos que possui são b. Se este animal for cruzado com outro cão castanho, apenas irá produzir cães castanhos. Mas e se o cão for preto, o que irá produzir? Os seus alelos tanto podem ser ambos B como pode ter um alelo B e um b – como o preto é dominante, mesmo que o cão tenha um alelo codificando para o castanho, o alelo B vai impedir a sua manifestação fenotípica e o cão será preto. A forma mais fácil de prever o resultado de um cruzamento, quando se conhece o gene e os alelos envolvidos, é recorrer ao quadrado de Punnett, que é um diagrama sumarizando todas


Nas pessoas existem 23 pares de cromossomas e nos cães, 39 pares

3. Cão preto x cão castanho

Poderá experimentar usar o mesmo raciocínio para prever o que irá acontecer quando se cruza um cão preto com um cão castanho. O quadrado de Punnet pode também ser usado para prever o resultado de cruzamentos com dois ou mais genes, desde que os genes sejam independentes – ou seja, se ter um determinado alelo num gene não implicar ter um dado alelo noutro gene. Basta saber a forma como os alelos dos genes interagem entre si e quais as combinações possíveis de existir nos gâmetas.

4. Cruzamento de cães pretos heterozigóticos 2. Cão preto Bb x cão preto Bb as combinações possíveis de um alelo maternal com um alelo paternal, para cada gene que está a ser estudado no cruzamento.

1. Cão preto BB x cão preto BB

Portanto, no nosso exemplo, não sabemos se o nosso cão preto terá uma constituição genética BB ou Bb, mas os resultados do seu cruzamento, poderão ajudar-nos a perceber. Se o cão for BB, só irá produzir gâmetas (espermatozóides ou oócitos) com alelos B; se for Bb, metade dos seus gâmetas terão o alelo B, a outra metade b. Se cruzarmos o nosso cão preto com outro cão preto, o que irá acontecer? Mãe

Pai

B

B

B

BB

BB

B

BB

BB

Quadrado de Punnett para o cruzamento entre 2 cães pretos, quando ambos são homozigóticos para a ocorrência de preto.

Se ambos os exemplares apenas tiverem o alelo dominante B, todos os cachorros irão ser pretos. Se um dos progenitores for homozigótico para o preto e o outro for heterozigótico, o resultado fenotípico será o mesmo, pois como o castanho é recessivo, o indivíduo terá sempre um alelo dominante a “mascarar” o seu efeito (pode experimentar fazer o quadrado de Punnett para confirmar). Mas o que acontece quando ambos os progenitores forem heterozigóticos para o preto? Neste caso, cada um dos progenitores irá produzir 50% de gâmetas B e 50% de gâmetas b. Nesta situação, geneticamente ¼ dos animais será preto homozigótico, ½ será preto heterozigótico e ¼ será castanho. Fenotipicamente, ¾ serão cães pretos e ¼ serão cães castanhos. Mãe

Pai

B

b

B

BB

Bb

b

Bb

bb

Quadrado de Punnett para o cruzamento entre 2 cães pretos, quando ambos são heterozigóticos para o preto/castanho.

Voltando ao exemplo do Labrador Retriever, sabemos que um cão é amarelo porque é homozigótico recessivo ee no gene Extensão ou MC1R. Ou seja, qualquer que seja a sua composição no gene B (BB, Bb ou bb), irá apresentar a cor amarela sempre que seja ee; se tiver um ou dois alelos E ou Em (no caso do cruzamento entre Labradores, esta distinção é irrelevante, pois devido às suas cores, não será possível observar a ocorrência de uma máscara negra, por isso vamos assumir simplesmente um genótipo E), irá ser preto ou castanho, consoante os seus alelos no gene B. O que irá acontecer quando cruzamos 2 cães pretos que sabemos (por cruzamentos anteriores ou testes genéticos) serem heretozigóticos para os genes B e E (ou seja, com um genótipo BbEe)? Primeiro, temos de determinar que tipos de gâmetas o animal pode produzir. Neste caso, poderá produzir gâmetas BE, Be, bE e be. Recorrendo ao quadrado de Punnett, vamos então calcular que tipo de descendência irá ocorrer. Constatamos que, a nível fenotípico, iremos obter 56% de cães pretos, 25% de cães amarelos (os que herdam o alelo e tanto da mãe como do pai) e 19% de cães castanhos.

Mãe

Pai

BE

Be

bE

be

BE

BBEE

BBEe

BbEE

BbEe

Be

BBEe

BBee

BbEe

Bbee

bE

BbEE

BbEe

bbEE

bbEe

be

BbEe

Bbee

bbEe

bbee

Quadrado de Punnett para o cruzamento entre dois cães pretos, quando ambos são heterozigóticos nos genes preto/castanho e Extensão.

Desafio

Como exercício, pode calcular as frequências de ocorrência das diferentes cores quando algum dos progenitores é homozigótico para um ou ambos os genes em questão. É importante referir que estamos aqui a falar de probabilidades! É o que ocorre quando se analisa um número suficientemente elevado de ninhadas/exemplares; em cada ninhada individual, poderá ocorrer alguma flutuação face a estas proporções.

Em breve...

Muitas vezes, numa simplificação da linguagem utilizada, falamos na ocorrência de um gene para esta ou aquela característica (por exemplo, um gene para o pêlo comprido), quando na realidade nos estamos a referir a um alelo de um gene – o gene codifica para a característica (neste exemplo, comprimento do pelo), o alelo para a variação da característica (pêlo comprido vs. pêlo curto). É importante lembrar esta diferença quando se trata de diferentes temas na genética, pois esta simplificação poderá por vezes induzir em confusão. A maioria das características que interessam num esquema de selecção tem uma hereditariedade complexa, sendo devidas a numerosos genes e à interacção entre eles. No entanto, vários traços e algumas patologias têm uma hereditariedade simples, sendo devidas a um ou pouco genes, e a compreensão da forma como estes podem ser transmitidos de geração em geração irá auxiliar no entendimento de fenómenos mais complexos. D

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Uma introdução à genetica