Utilização de Drosophila melanogaster como modelo em estudos de Genética Clássica

+ Utilização de Drosophila melanogaster como modelo em estudos de Genética Clássica Aceite para publicação em 6 de Junho de 2011

Diana Lobo Cristina Aguiar 2011

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Enquadramento

Nesta apresentação revisitar-se-ão alguns trabalhos de Gregor Mendel e os resultados que conduziram às suas Leis, e que constituem as fundações da designada Genética Clássica ou Hereditariedade Mendeliana.

Adicionalmente, abordar-se-ão as características que fazem de Drosophila melanogaster, a mosca da fruta, um excelente modelo em estudos de Genética, e de Genética Clássica em particular.

Gregor Mendel 1822-1884 Imagem adaptada de: http://kentsimmons.uwinnipeg.ca/cm1504/mendel.htm

Imagem adaptada de: http://www.biologie.unihamburg.de/b-online/d08_mend/mendel.htm

+ Gregor Mendel O “Pai da Genética”

+

As experiências de Mendel Realizou estudos com a ervilheira (Pisum sativum) no Mosteiro da Ordem de Santo Agostinho, em Brno, na República Checa.



Os seus trabalhos constituem os alicerces da Genética e fundamentam as chamadas LEIS DE MENDEL. Imagem adaptada de: Griffiths A., Miller H. & William M. An Introduction to Genetic Analysis, 7th Edition.



Jardins do Mosteiro onde Mendel realizou as suas experiências

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Metodologia científica de Mendel





Escolha de material biológico adequado – fácil cultivo e crescimento;obtenção de várias gerações com elevado número de descendentes; ciclo de vida curto; flor com estrutura adequada ao controlo da fecundação,; para além de poder reproduzir-se por auto-polinização e características diferenciadas e contrastantes.

Utilização de linhas puras



Avaliação de um caracter individualmente



Tratamentos matemáticos para analisar os dados

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Metodologia científica de Mendel



Mendel estudou 7 caracteres ou características em Pisum sativum, cada uma com duas manifestações fenotípicas distintas.

Forma das sementes

Cor das sementes

Forma da vagem

Cor da vagem Posição das flores

Cor das flores Tamanho dos caules

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Conceitos importantes Determinantes Hereditários de Mendel: são actualmente designados por GENES. As diferentes formas de um gene designam-se ALELOS. Exemplo: Gene = “pê”; Alelo = P (dominante) ou p (recessivo) 

Genótipo: Constituição genética de um indivíduo.

Exemplo: PP, Pp ou pp 

Fenótipo: Características observáveis.

Exemplo: Púrpura ou Branca 

PP

Pp

pp

Homozigótico: os alelos do par são idênticos.

Exemplo: PP (Homozigótico dominante) ou pp (Homozigótico recessivo) 

Heterozigótico: os alelos do par são diferentes.

Exemplo: Pp 

Imagem adaptada de: http://www.cientic.com/heredit1_pp23.html

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1ªLei de Mendel Monohibridismo Cruzamentos em que os progenitores apenas se diferenciam numa característica, relacionada com a transmissão de um só gene.

crescimento

Pp

Pp x

x cruzamento

PP

pp

(P) Geração Parental

Pp

F1xF1

(F1) 1ªgeração filial

?

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1ªLei de Mendel Monohibridismo

F1xF1 Gâmetas

½P

½p

Gâmetas

½P

¼ PP

¼ pP

PP= ¼ (Homozigóticos dominantes) Pp= ½ (Heterozigóticos) pp= ¼ (Homozigóticos recessivos)

3:1 ¾ manifestam o fenótipo púrpura codificado por um alelo dominante

½p

¼ Pp

¼ pp

¼ manifesta o fenótipo branco codificado pelo alelo recessivo e apenas expresso quando estão presentes duas cópias desse alelo recessivo

1ªLei de Mendel: PRINCÍPIO DA SEGREGAÇÃO INDEPENDENTE

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Primeira Lei de Mendel: Para

cada característica existem determinantes hereditários de natureza particular. Cada

ervilheira tem um par desses determinantes, em cada célula, para cada característica estudada. Durante

a formação dos gâmetas os membros desse par separam-se de forma idêntica. Cada A

gâmeta transporta um dos elementos desse par.

união dos gâmetas para formar um zigoto reúne o par desses determinantes hereditários.

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Princípio da Segregação Independente Durante a formação dos gâmetas, os dois membros de um par de determinantes hereditários – que actualmente designamos e conhecemos como “genes” - separam-se.

Metade dos gâmetas terão um dos membros e a outra metade o outro membro.

Aa

A Formação de gâmetas a

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Testcross 

Para verificar esta hipótese, das plantas da primeira geração filial (F1) terem o genótipo Pp é necessária a realização de um teste:

Testcross 

Teste idealizado com a finalidade de, através da descendência, se conseguir identificar o genótipo de um dado indivíduo progenitor. O teste efectua-se cruzando o indivíduo com o fenótipo codificado por um alelo dominante, mas cujo genótipo é desconhecido (genótipo Aa ou AA), com um indivíduo com fenótipo codificado pela presença dos dois alelos recessivos (genótipo aa)

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Testcross

Fenótipo codificado por um alelo dominante e genótipo desconhecido (Aa ou AA)

x

Fenótipo codificado pelos dois alelos recessivos e genótipo conhecido (aa)

Se…

Se…

a

A

A

A Aa

a

Aa

a Aa

aa

Aa

aa

OU

a

Aa

100% Amarelo

Aa

a

50% Amarelo : 50% Verde

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2ÂŞLei de Mendel Dihibridismo Cruzamentos em que os progenitores diferem em duas caracterĂ­sticas. aaLL

AAll

AaLl

x

x

cruzamento

(P)

AaLl

AaLl

(F1)

F1xF1

Duas caracteristicas: Forma das sementes Cor das sementes

Linha pura lisa e verde vs Linha pura rugosa e amarela

(F2)

9:3:3:1

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2ªLei de Mendel Dihibridismo F1xF1 Gâmetas Gâmetas

AL aL Al al

AL

aL

Al

al

AALL

AaLL

AALl

AaLl

AaLL

aaLL

AaLl

aaLl

AALl

AaLl

AAll

Aall

AaLl

aaLl

Aall

aall

315 108 101 32

A proporção 9:3:3:1 traduz a combinação de duas proporções 3:1 independentes

Cada par de genes actua independentemente do outro A hereditariedade das duas características processa-se de forma independente

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Lei da Independência dos caracteres A segregação dos membros de qualquer par de genes é INDEPENDENTE da segregação de outros pares.

Existe

uma uniformidade dos híbridos da 1ªgeração (F1) em relação aos caracteres em estudo, manifestando-se os caracteres codificados pelos alelos dominantes.

Todas as sementes são amarelas e lisas. Os caracteres codificados pelos alelos recessivos (cor verde e forma rugosa) não se manifestam. A

geração F2 revelou-se heterogénea surgindo, além dos fenótipos parentais, dois novos fenótipos (verde/rugoso e amarelo/liso).

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Drosophila melanogaster



Primeiros Trabalhos: Thomas H. Morgan



Características que a tornam especial



Ciclo de vida



Morfologia. Distinção entre os sexos



Tipo selvagem e Mutantes



Cruzamentos genéticos



Thomas H.Morgan

Desenvolveu, a partir de 1910, estudos genéticos com a mosca da fruta – Drosophila melanogaster.

Imagem adaptada de: http://www.sciencephoto.com/images/downl oad_lo_res.html?id=670031560

 Prémio Nobel em 1933

Imagem adaptada de: http://academic.pgcc.edu/~kroberts/biotech/chapt2/morgan.htm

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Características Drosophila melanogaster é um organismo modelo para o estudo da Biologia do Desenvolvimento, pelo facto de possuir determinadas características: Dimensões reduzidas (3 a 4 mm) Facilidade de distinção entre machos e fêmeas Ciclo de vida curto (12 dias, aproximadamente)  Elevada taxa de fecundidade Descendência numerosa Facilidade de manutenção de culturas em laboratório Susceptível de manipulação genética Cariótipo com 4 pares de cromossomas (3 pares autossómicos e 1 par sexual) Genoma descodificado e publicado desde 2000 Genoma pequeno, com cerca de 14 000 genes

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Ciclo de Vida

Fase do Ciclo de Vida: Pupa

Ciclo de Vida

Fase do Ciclo de Vida: Larva Puparium vazio 3

Larva

1

2

Assinalam-se os olhos (1) e as antenas (2) em desenvolvimento, assim como os esboรงos alares (3),

Imagens cedidas por Amaro Rodrigues, Universidade do Minho

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Morfologia 

Insecto com cabeça, toráx e abdómen.



Cabeça com pêlos e sedas apresentando um par de antenas na região anterior e, lateralmente, dois olhos compostos vermelhos.



Tórax de cor amarela-acastanhada, com três pares de patas que terminam em garras.



Um par de asas finas e transparentes no segundo segmento torácico (insecto da ordem Díptera).



Abdómen segmentado e sem apêndices, em parte pigmentado de negro e coberto de pêlos.

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Morfologia Distinção entre os sexos Fêmea

Macho

*Parâmetro apenas utilizado em moscas adultas ** Estrutura pilosa no par de patas anterior. Parâmetro mais seguro na distinção de moscas jovens

Imagens cedidas por Amaro Rodrigues Universidade do Minho

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Exemplares Tipo selvagem e Mutantes

■ A forma predominante de Drosophila melanogaster na Natureza apresenta o corpo cinzento, olhos vermelhos e asas longas e denomina-se a forma ou tipo selvagem. Forma a quase totalidade das populações naturais desta espécie.

 A qualquer variação hereditária deste “tipo padrão” denomina-se mutante. As mutações podem afectar as diferentes partes do corpo do adulto.  Apresenta 4 pares de cromossomas (2n=8) homólogos que se designam por I, II, III e IV. O par de cromossomas I corresponde ao par de cromossomas sexuais. Na fêmea há dois cromossomas X e, no macho, um cromossoma X e um cromossoma Y. Este, devido à sua heterocromatina, é praticamente inactivo do ponto de vista genético.

Imagem adaptada de: Griffiths A., Miller H. & William M. An Introduction to Genetic Analysis, 7th Edition.

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Exemplares Mutantes 

Nomenclatura:

É costume representar-se o genótipo das formas alternativas pela letra ou letras iniciais da palavra inglesa que expressa o fenótipo da característica em causa. A letra será minúscula ou maiúscula consoante a referida característica seja codificada por um alelo recessivo ou pelo alelo dominante, respectivamente.

Exemplo: Alelo para olhos brancos = w (white) (minúscula porque o fenótipo white manifesta-se pela presença de duas cópias do alelo recessivo)

w Quando este locus é ocupado pelo alelo da forma selvagem, este representa-se pela mesma letra associada ao sinal +.

Exemplo: Alelo para olhos vermelhos = w+

w+

Imagens cedidas por Amaro Rodrigues, Universidade do Minho

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Exemplares Mutantes



I) Mutação nos olhos

ey (eyeless): olhos pequenos ou por vezes ausentes

Bar

v (vermilion): olhos de cor vermelhão, mais claros que no tipo selvagem se (sepia): olhos de cor acastanhada, escurecendo para preto com a idade white

w (white): olhos brancos B (Bar): olhos da mesma cor vermelha mas mais estreitos que os do tipo selvagem bw (brown): olhos de cor vermelha-acastanhada que se tornam púrpura com a idade

sepia

Imagens cedidas por Amaro Rodrigues, Universidade do Minho

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Exemplares Mutantes 

II) Mutação das sedas e pêlo

f (forked): sedas bifurcadas ou recurvadas, mais curtas que as do tipo selvagem ss (spineless): sedas mais curtas que no tipo selvagem



III) Mutações da cor do corpo

y(yellow): corpo amarelo

yellow

e (ebony): corpo de cor escura Imagem cedida por Amaro Rodrigues, Universidade do Minho

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Exemplares Mutantes



IV) Mutações das asas

Cy (Curly): asas reviradas para cima ct (cut): asas “cortadas” na extremidade m (miniature): asas reduzidas em tamanho vg (vestigial): asas muito pequenas e de contorno irregular dp (dumpy): asas obliquamente truncadas e reduzidas

vestigial Imagem cedida por Amaro Rodrigues, Universidade do Minho

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Cruzamentos Hereditariedade ligada ao sexo

Thomas Morgan encontrou um macho mutante de olhos brancos (white) e cruzou-o com uma fêmea de olhos vermelhos (selvagem).

Geração F1 com 100% de indivíduos (machos e fêmeas) de olhos vermelhos.

P) x cruzamento

Alelo para olhos vermelhos DOMINANTE sobre o alelo mutante para olhos brancos.

F1)

Imagens cedidas por Amaro Rodrigues, Universidade do Minho

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Cruzamentos Hereditariedade ligada ao sexo No entanto, quando num cruzamento idêntico se utiliza uma fêmea com olhos white os resultados do cruzamento são distintos ….

P)

Thomas Morgan concluiu que o gene responsável pela cor dos olhos estaria localizado num cromossoma para o qual não existisse verdadeiro homólogo.

x

cruzamento

Tal verifica-se no par de cromossomas sexuais

F1)

½ de fêmas selvagem

½ de machos white

Imagens cedidas por Amaro Rodrigues, Universidade do Minho

Imagem adaptada de: http://www.cientic.com/heredit2_pp17.html

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Cruzamentos Hereditariedade ligada ao cromossoma X



Hereditariedade ligada ao sexo: Padrão de hereditariedade de determinados genes paralelo ao padrão de hereditariedade dos cromossomas sexuais.

As fêmeas possuem 2 cromossomas X (verdadeiros homólogos), os machos possuem 1 cromossoma X e 1 cromossoma Y, sem genes correspondentes (não são verdadeiros homólogos).

Gene responsável pela cor dos olhos estaria no cromossoma X. Os machos possuem um único alelo, por terem um único cromossoma X, e manifestam o fenótipo correspondente a esse mesmo alelo.

+

1ªLei de Mendel Em cruzamentos com Drosophila melanogaster

Exemplo 1: vg+vg+

vgvg

F1xF1 Gâmetas

x

P) macho selvagem x fêmea vestigial

½ vg+

½ vg

½ vg+

¼ vg+vg+

¼ vgvg+

½ vg

¼ vg+vg

¼ vgvg

Gâmetas

cruzamento

F1) 100% de indíviduos selvagens vg+vg

x

F1xF1

Hereditariedade autossómica recessiva

¾ manifestam o fenótipo selvagem codificado por um alelo dominante e ¼ manifesta o fenótipo asas vestigiais, que se expressa quando dois alelos recessivos estão presentes

F2)

3:1

+

1ªLei de Mendel Em cruzamentos com Drosophila melanogaster

Exemplo 2: se+se+

F1xF1

sese x

Gâmetas

P) macho selvagem x fêmea sepia

cruzamento

F1)100% de indíviduos selvagens se+se

x

F1xF1

Hereditariedade autossómica recessiva

½ se+

½ se

½ se+

¼ se+se+

¼ sese+

½ se

¼ se+se

¼ sese

Gâmetas

¾ Manifestam o fenótipo selvagem codificado por um alelo dominante e ¼ manifesta olhos sepia, o fenótipo que se expressa quando o alelo recessivo está presente em duas cópias

F2)

3:1

+

Sumário



Gregor Mendel e os seus cruzamentos com ervilheiras. Leis de Mendel.

Conceitos de dominância e recessividade.



Contributo de Thomas Morgan para a Genética hereditariedade ligada ao sexo (cromossoma X).



Utilização de Drosophila melanogaster em estudos de hereditariedade e características que a tornam um bom modelo biológico.



Ciclo de vida de Drosophila melanogaster. Distinção do sexo em insectos adultos. O tipo selvagem e as estirpes mutantes. Nomenclatura.

Clássica:

a

+

Agradecimentos



À Casa das Ciências/Fundação Calouste Gulbenkian a concessão de uma bolsa para o desenvolvimento deste trabalho.



À professora Doutora Isabel A.-P. Mina pelos esclarecimentos relativos a Drosophila melanogaster.



Ao Dr. Amaro Rodrigues, pelas cedência das imagens de Drosophila melanogaster apresentadas neste trabalho.

+

Referências



http://www.ufv.br/dbg/labgen/mend.html



Salsa J (2005) Hereditariedade Mendeliana. Disponível em: http://www.cientic.com/portal/



Aguiar C (2007) Hereditariedade e Evolução - Trabalhos Práticos. Departamento de Biologia, Universidade do Minho.



Aguiar C. Vlabs-Laboratório Virtual de Genética. Universidade do Minho (http://vlabs.uminho.pt/biologia/biologia.html).