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Griffiths Wessler Carroll Doebley

GENÉTICA DÉCIMA EDIÇÃO

Sobre a capa

1 Revolução Genética nas Ciências da Vida, 1 2 Herança Monogênica, 25 3 Distribuição Independente de Genes, 71 4 Mapeamento de Cromossomos Eucarióticos por Recombinação, 105 5 A Genética das Bactérias e seus Vírus, 145 6 Interação Gênica, 181 7 DNA: Estrutura e Replicação, 217 8 RNA: Transcrição e Processamento, 245 9 Proteínas e sua Síntese, 269 10 Isolamento e Manipulação de Genes, 295

INTRODUÇÃO À

11 Regulação da Expressão Gênica em Bactérias e seus Vírus, 331

GENÉTICA

As variações dos padrões de pigmentação das flores de Petunia hybrida ilustradas nesta capa se devem a três mecanismos genéticos diferentes. O padrão da flor localizada à direita, na parte superior, é resultado da combinação de um alelo recessivo para a coloração das pétalas com um alelo dominante para a coloração das nervuras. Já a flor situada à direita, na parte inferior, apresenta um padrão em estrela, cujos setores brancos resultam da degradação direcionada do produto do mRNA de um gene que codifica a calcona sintase (uma das enzimas ativas em uma fase inicial da via metabólica dos pigmentos). Na flor exposta à esquerda, por sua vez, observam-se setores pigmentados que resultam da excisão de um transposon de um gene cujo produto é necessário para a pigmentação das flores.

INTRODUÇÃO À

Sumário

12 Regulação da Expressão Gênica em Eucariotos, 359 13 Controle Genético do Desenvolvimento, 389 14 Genomas e Genômica, 421 15 Genoma Dinâmico: Elementos de Transposição, 453 16 Mutação, Reparo e Recombinação, 479 17 Alterações Cromossômicas em Grande Escala, 509 18 Genética de Populações, 551 19 Herança de Traços Complexos, 591 20 Evolução de Genes e Traços, 627 Guia Resumido de Organismos-modelo, 653 Apêndice A, 669 Apêndice B, 670 Glossário, 673 Respostas dos Problemas Selecionados, 689

DÉCIMA EDIÇÃO

Anthony J. F. Griffiths

Índice Alfabético, 701

Susan R. Wessler Sean B. Carroll John Doebley

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INTRODUÇÃO À

GENÉTICA

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Sobre os Autores

Anthony J. F. Griffiths é Professor Emérito de Botânica na University of British Columbia. Sua pesquisa é voltada para a genética do desenvolvimento de fungos, tendo como modelo o fungo Neurospora crassa. Foi Presidente da Genetics Society of Canada e Secretário-Geral da International Genetics Federation.

Susan R. Wessler é Professora especializada em Genética no Departamento de Botânica e Ciência das Plantas na University of California, Riverside. Sua pesquisa é voltada para os elementos de transposição de plantas e sua contribuição para a evolução dos genomas e dos genes. A Dra. Wessler foi eleita para a National Academy of Sciences em 1998. Como Professora do Howard Hughes Medical Institute, desenvolveu e ministra aulas em uma série de cursos sobre genoma dinâmico, nas quais estudantes ainda não graduados podem ter a experiência interessante da descoberta científica.

Sean B. Carroll

é Pesquisador no Howard Hughes Medical Institute e Professor de Biologia Molecular e Genética na University of Wisconsin-Madison. O Dr. Carroll é um líder no campo da biologia do desenvolvimento evolutivo e foi eleito para a National Academy of Sciences em 2007. Ele também é o autor de Endless Forms Most Beautiful: The Making of the Fittest e de Remarkable Creatures, um finalista do National Book Award na categoria de não ficção em 2009.

John Doebley é Professor de Genética na University of Wisconsin-Madison. Ele estuda a genética da domesticação de plantas cultivadas usando os métodos de genética de populações e quantitativa. Em 2003, foi eleito para a National Academy of Sciences e, em 2005, foi Presidente da American Genetics Association. Ensina Genética Geral e Evolutiva na University of Wisconsin.

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INTRODUÇÃO À

GENÉTICA 10ª EDIÇÃO

Anthony J. F. Griffiths

University of British Columbia

Susan R. Wessler

University of California, Riverside

Sean B. Carroll

Howard Hughes Medical Institute University of Wisconsin-Madison

John Doebley

University of Wisconsin-Madison

Tradução

Idilia Vanzellotti Revisão técnica

Márcia Mattos Gonçalves Pimentel

Bacharel em Ciências Biológicas. Mestre em Ciências Biológicas (Genética Humana) pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Doutora em Ciências (Genética Humana) pela UFRJ. Professora Associada do Departamento de Genética do Instituto de Biologia Roberto Alcântara Gomes da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). Coordenadora do Serviço de Genética Humana da UERJ.

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 Os autores e a editora guanabara koogan ltda. empenharam seus melhores esforços para assegurar que as informações e os procedimentos apresentados no texto estejam em acordo com os padrões aceitos à época da publicação. Os autores e a Editora não podem ser responsabilizados por quaisquer danos a pessoas ou bens, devido à aplicação incorreta ou uso impróprio do conteúdo apresentado nesta obra, como resultado de qualquer declaração difamatória, violação de propriedade intelectual ou direitos de privacidade, mesmo que decorrente de negligência ou de outra conduta, ou de qualquer uso de ideias, instruções, procedimentos, produtos ou métodos contidos neste material.  Os autores e a editora se empenharam para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores de direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos posteriores caso, inadvertida e involuntariamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida.  First published in the United States by W.H. FREEMAN AND COMPANY, New York Copyright © 2012, 2008, 2005, 2000 by W.H. Freeman and Company All Rights Reserved.  Publicado originalmente nos Estados Unidos por W.H. FREEMAN AND COMPANY, New York Copyright © 2012, 2008, 2005, 2000 by W.H. Freeman and Company. Todos os Direitos Reservados.  Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2013 by EDITORA GUANABARA KOOGAN LTDA.

Uma editora integrante do GEN | Grupo Editorial Nacional Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro – RJ – CEP 20040-040 Tels.: (21) 3543-0770/(11) 5080-0770 | Fax: (21) 3543-0896 www.editoraguanabara.com.br | www.grupogen.com.br | editorial.saude@grupogen.com.br  Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da Editora.  Capa: Em cima à direita, © Christine L. McKee; no centro à esquerda, Michiel Vandenbussche e Tom Gerats; embaixo à direita, © Myrleen Ferguson-Cate/PhotoEdit Inc. Editoração eletrônica:

Anthares

 Ficha catalográfica I48 Introdução à genética / Anthony J. F. Griffiths... [et al.]; [tradução Idilia Vanzellotti]. – Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2013. Il. Tradução de: Introduction to genetic analysis, 10th ed ISBN 978-85-277-2191-2 1. Genética. 2. Hereditariedade. I. Griffiths, Anthony J. F. 12-7324.

CDD: 576.5 CDU: 575

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Prefácio

D

esde a primeira edição, publicada em 1974, este livro enfatiza a força e a abrangência da abordagem genética na pesquisa biológica e suas aplicações. Em suas muitas edições, o texto foi revisado e atualizado à medida que a força da análise genética tradicional estendeu-se com a introdução da tecnologia do DNA recombinante e em seguida da genômica. Na 10a edição, incorporamos a prática da genética moderna nos novos capítulos sobre genética de populações e a herança de traços complexos.

A fre­quência alélica pode variar ao longo de um gradiente (a) Frequência de A 1,0 0,5 0,0 Elkhart

John Doebley une-se à equipe de autores

Nos últimos anos, o campo da genômica avançou até completar todas as sequências genômicas de muitas espécies e o desenvolvimento de diversos métodos analíticos em escala genômica. Esses avanços na genômica revolucionaram muitas áreas da genética, em especial a de populações e a quantitativa. A 10a edição desta obra inclui capítulos completamente revistos sobre genética de populações e quantitativa, escritos por John Doebley, que integram a teoria clássica com os recursos genômicos de alta tecnologia. Esses capítulos tratam da aplicação da moderna genética de populações e quantitativa, para ajudar o estudante a entender: (1) como a variação genética é padronizada nas populações humanas, (2) como as populações humanas se adaptaram às diferentes regiões do mundo, (3) como o DNA forense é usado em investigações criminais, (4) como o endocruzamento é conduzido em populações de zoológicos e (5) como podem ser identificados os genes que contribuem para o risco de doenças comuns. Além disso, o último capítulo, sobre a evolução de genes e traços, foi muito bem revisto por Sean Carroll, de modo a refletir

Hutchinson

(b)

Damos as boas-vindas a um novo coautor, John Doebley, que veio integrar a equipe. O Dr. Doebley é Professor de Genética na University of Wisconsin-Madison, onde ministra aulas com Sean Carroll. O Dr. Doebley é um pesquisador ativo e mestre no campo da genética de populações e evolutiva. Seu grupo de pesquisa tenta entender a base genética da evolução de novos traços morfológicos em plantas.

Capítulos completamente reescritos e atualizados sobre genética de populações, genética quantitativa e genética evolutiva

Kansas City

Frequência de FYnulo 10 – 50 50 – 70 70 – 75 75 – 80 80 – 85 85 – 90 90 – 95 95 – 100 [

Figura 18.11

(a) Variação na fre­quência alélica de uma espécie hipotética de girassol selvagem no estado do Kansas. (b) Variação na fre­quência do alelo FYnulo do locus do grupo sanguí­neo Duffy na África. [De P. C. Sabeti et al., Science 312, 2006, 1614-1620.]

os avanços recentes no entendimento de como surgem as adaptações. Novos tópicos incluem a história clássica da evolução da resistência à malária nos seres humanos, as vias evolutivas de múltiplas etapas e a perda de caracteres mediante alterações adaptativas nas sequências reguladoras (ilustradas pela redução da pelve em populações de peixes). Em conjunto, os muitos exemplos claros do capítulo fornecem um fundamento empírico consistente para a teoria da evolução por seleção natural.

Maior foco no aprendizado visual e no trabalho com dados Uma nova série de exercícios, intitulada “Questões sobre as figuras”, incluída no final de cada capítulo contém questões

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alternativa deveriatodos ser os ascósporos recombinantes, mas mero calculada pela frequência MIIII é a ocorrência de crossopelos ascos ec contar usar a fórmula FR = 1/2 T  DNP é mais simples. Os ascos vers duplos, o que pode produzir um padrão MII para ad, no  ad senso e análise simples nos T são das classes 3, 4 e 7, e os ascos DNP sãonic das classes 2 e asco do tipo 4: Primeiro, uma inspeção dos 6. Assim, a FR = [1/2 (100)  2]/1.000 = 5,2%  5,2 ad u.m., e nicou m é o marcado como 1, que um mapa melhor é nic ad nic ad Esse tipo contém apenas os nic ad nic ad eles são genótipos parentais.  nicad nic ad nic ad ão é bem baixa e que os loci nic ad ad nic ad à Genética nic ad mina a alternativa a. vi    Introdução nic ad nic ad ad nic nic5,05 u.m. 5,2 u.m. ativa c. Se essa alternativa nic ad  nic ad  o centrômero e o locus nic ad incisivas para os estudantes sobre as u.m. figuras apresentadas. As novasadquestões estimulamnic os estudantes a  nic adAcre- figuras no texto. 10,25 ra esse locus, mas também nic   nic ad ditamos que, em geral, os estudantes subestimam a abrangênaprofundarem seu conhecimento sobre conceitos importantes orque ele está mais distante nic ad os esclarecimentos pelas e métodos analíticos a partir da análise das figuras. ão de asco produzido cia pelada informação O motivo e para a subestimativa daproporcionados distância ad ao centrônic ad Lembre que pela o locus nic apresenta padrões dedeMcrossoII nos II mero calculada frequência MII é a ocorrência  nic ad ascosduplos, dos tipos 4, pode 5, 6 eproduzir 7 (um total 101 ascos); Capítulo 4 | Mapeamento de Cromossomos Eucarióticos vers o que um de padrão MI paradeles, ad, noo  nic ad asco do tipo 4: nic ad Problemas superior da primeira divisão segregou de maneira de E F nic ad cima para baixo na segunda divisão.  nic ad E f Questões sobre as figuras 5. Na Na Figura Figura 4.10, frequência média por nic ad 10. 4.19, qual qual aseria a FR entre A/adee crossovers B/b em um nic ad meiose na região A–B? E na região B–C? e F cruzamento em que puramente por acaso todas as meionic ticos adnão  haveriaad 1. Na Figuranic 4.3, quaisquer produtos meió crossovers duplos quatro fitas naquela 6. ses Na tiveram Figura 4.11, é válido dizerde que, de um cruzamento nic ad e f de crossover ilustrada? Caso afirmativo,  meiosead nic de adque região? assim, o produto v cv pode ter duas origens diferentes? nicna nic ad cores seriam, de acordo com a convenção de cores usada? Explique esses resultad nic ad 11. Figura 4.21, GC = Aquatro e AT =cores a, então dese7. a. NaNa Figura 4.14, nadeixemos fileira inferior, estão assinic ad 2. Na Figuranic 4.6, por que o diagrama não mostra meioses 16. Uma linhagem de Neu  nhe a óctade fúngica que resultaria da estrutura final nic ad naladas SCO. Por que não são todas do mesmo tamanho ad  em que ocorrem dois crossovers entre as mesmas nic adduas cruzada com uma linha (5). (fre quência)? nic ad da prole é H · I, e a ou cromátides (como as duas internas)? b. (Desafio) Insira alguns marcadores flanqueadores nic ad 8. Usando as convenções da Figura 4.15, desenhe as classes esenta padrões de MII nos esse desfecho é possíve proximamente ligados no diagrama, designe P/p para a 3. Na Figura 4.8, alguns produtos meióticos estão marcados dos genitores e da prole a partir de um cruzamento  nic ad otal de 101 ascos); deles, o esquerda e Q/q para a direita (suponha arranjos cis ou 17. Uma fêmea com o gen como parentais. Qual dos genitores se enquadra nessa M /p M  pdesses M/p loci M exibe segregatrans). SuponhaPque nenhum um macho duplo reces terminologia? ção não mendeliana. Em seguida, desenhe a óctade 442 A/a · B/b, 458 a/a · 9. Na Figura 4.17, desenhe os arranjos de alelos emfinal uma 4. Na Figura 4.9, por que apenas o locus A é mostrado em com base estrutura parte 5. Explique esses resultad óctade denauma meiosenasemelhante, em que o produto uma posição constante? 18. Se A/A · B/B for cruzad 5. Na Figura 4.10, qual a frequência média de crossovers por Problemas básicos tida a cruzamento-teste meiose na região A–B? E na região B–C? 12. Uma planta com o genótipo cruzamento-teste será a uer produtos meióticos não 6. Na Figura 4.11, é válido dizer que, de um cruzamento (a) não ligados; (b) com A B da? Caso afirmativo, de que  assim, o produto v cv pode ter duas origens diferentes? crossover); (c) separados a convenção de cores usada? a b 7. Na Figura 4.14, na fileira inferior, quatro cores estão assi19. Em um organismo hap grama não mostra meioses é submetida a um cruzamento-teste com SCO. Por que não são todas do mesmo tamanho Griffiths 04.indd naladas 132 08.02.13 10:30:55 De um cruzamento C d vers entre as mesmas duas (frequência)? a b uma das seguintes class ternas)? C d; (d) todos recombi 8. Usando as convenções da Figura 4.15, desenhe as classes a b os meióticos estão marcados dos genitores e da prole a partir de um cruzamento Se os dois loci distam 10 u.m., que proporção da prole 20. Uma mosca-das-frutas enitores se enquadra nessa tida a um cruzamento P M /p M  p M/p M  será AB/ab? meioses, não há quias Capítulo 4 | Mapeamento de Cromossomos Eucarióticos por Recombinação 133 9. Na Figura 4.17, desenhe os arranjos de alelos em uma 13. O locus A e o locus D estão tão ligados, que nenhuma as o locus A é mostrado em 16% das meioses, há u recombinação é observada entre eles. Se Ad/Ad é cruzaóctade de uma meiose semelhante, em que o produto proporção da prole será 2 que fenótipos serão do com aD/aD superior da primeira divisão segregou de maneira de E e Fa F1 é entrecruzada, 6 21. Foi feito um cruzament vistos na F2 e em que proporções? cima para baixo na segunda divisão. 1 Os resultados e a análise E f 6 14. Os loci R e S distam 35 u.m. um do outro. Se uma planta 10. Na Figura 4.19, qual seria a FR entre A/a e B/b em um no quadro a seguir, o q 1 e F com o genótipo cruzamento em que puramente por acaso todas as meio6 de três pontos (p = folh ses tiveram crossovers duplos de quatro fitas naquela = sementes resistentes a R 26 S e f região? ma marrom na sement • No Capítulo 4, uma introdução sobre os marcadores moles 08.02.13 10:30:55 Explique esses resultados.r 11. a. Na Figura 4.21, deixemos GC = A e AT = a, então deseresponda às partes de a culares, que são essenciais para a identificação dos genes, for autofecundada, que fenótipos serãoHvistos linhagem de Neurospora comdao prole genótipo · I ée nhe a óctade fúngica que resultaria da estrutura final 16. Uma +/+  +/+  +/ écruzada apresentada em uma seção com o cuidado P em quecom proporções? uma linhagem com orevista genótipo h · i.todo Metade (5). sobre os tipos comuns de marcadores moleculares e que Gametas +  +  + Um dos objetivos esperados a leitura desta obra é mostrar é H · I,E/E e a·outra i. Explique e a F1 écomo então 15.da O prole cruzamento F/F metade, e/e · f/fhé·feito, b. (Desafio) Insiracom alguns marcadores flanqueadores esse desfecho écom possível. descreve como sãoodetectados e mapeados. Essa seção retrocruzada genitor recessivo. Os genótipos da aju- a. Determine quais gen como a identificação de genes suas interações é um recurso proximamente ligadoseno diagrama, designe P/p para a prole são deduzidos dos fenótipos. Os genótipos proesquerda e Q/q para a direita (suponha arranjosDesde cis ou 17. da b. Desenhe um mapa q osfêmea estudantes entender marcadores moleculares é cruzadada com Uma com o agenótipo A/aos· B/b poderoso para se entender as propriedades biológicas. le, escritos como as contribuições gaméticas do genitor trans). Suponha que nenhum desses loci exibe segregab/b). Sua inclui como dades de mapa. um macho duplo genéticos recessivo (a/a como elementos que·podem serprole mapeados o início, o estudante acompanha o processo de uma dissecheterozigoto, estão nas seguintes çãotradicional, não mendeliana. Em seguida, a óctade c. Calcule a interferênc a/a · b/b, 46 A/aproporções: · b/b e 54 a/a · B/b. 442 A/a · B/b, 458 ção genética começando pordesenhe uma visão geralfinal no os genes. com base na estrutura na parte 5. Explique esses resultados. Capítulo 1, seguida pela cobertura em etapas da identificação • Uma nova seção sobre o mapeamento fino noFenótipos Capítulo 10 18. Se A/A · B/B for cruzado com a/a · b/b e a F1 é submede um gene no Capítulo 2, o mapeamento gênico no Capítulo (Isolamento e Manipulação de Genes) serve como Classe da proleintro- Gametas da F1 Núme Problemas básicos tida a cruzamento-teste, que porcentagem da prole do 4 e a identificação de vias e redes pelas interações gênicas dução para o método de identificação de genes com 12. Uma planta com o genótipo estiverem cruzamento-teste será a/a · b/b se os dois genes 1 ver sen plabase      3,21 no Capítulo 6. Nesta 10a edição, foi acrescentada a cobertura no genoma. (a) não ligados; (b) completamente ligados (sem nenhum 2 pur res mar p  v  m 3,22 A das novas abordagens genômicas paraB identificar e localizar • No crossover); (c) separados 10 u.m.; separados 24ver u.m.? 3 res épla 1,02 Capítulo 19 (Herança de (d) Traços Complexos), discu-   v   a b e 19. genes, tema explorado nos Capítulos 10 sen mar p m 1,04 o uso do mapeamento loci quantitativos 19. tido Em um organismo haploide, osde loci C ede D4traços distampur 8 u.m. é submetida a um cruzamento-teste com 5 pur res pla p  v   69 De um para cruzamento C dos  QTL c D, cite proporção cada (QTL) localizar no agenoma e odemapeamento • O Capítulo 1, agora com novo conceito, fornece uma visão 6 D; (b) ver sen mar m 67 a b uma das seguintes classes de prole: (a) C c d; (c) fino para identificar genes únicos. 7 geral da maneira como a genética moderna funciona e dos ver res mar v m 7 C d; (d) todos recombinantes. a b utilizado tipos de percepções importantes que ela oferece e revo- • O mapeamento associado de todo 8o genoma, pur sen pla p  6 Uma mosca-das-frutas com o genótipo B R/b r é submeSe osnão doisapenas loci distam 10 u.m.,como que proporção prole 20. para fazer uma varredura do genoma em busca de QTL, lucionaram a biologia, também da muitos tida a um cruzamento-teste com b r/b r. Em 84% das Totais 10.00 aspectosserá da AB/ab? sociedade humana. émeioses, discutido nãonoháCapítulo quiasmas19. entre os genes ligados; em 13. O locus A e o locus D estão tão ligados, que nenhuma 16% das meioses, há um quiasma entre os genes. Que recombinação é observada entre eles. Se Ad/Ad é cruzaproporção da prole será B r/b r? do com aD/aD e a F1 é entrecruzada, que fenótipos serão 21. Foi feito um cruzamento-teste de três pontos em milho. vistos na F2 e em que proporções? Os resultados e a análise de recombinação são mostrados 14. Os loci R e S distam 35 u.m. um do outro. Se uma planta no quadro a seguir, o qual é típico do cruzamento-teste Griffiths 04.indd 133 com o genótipo de três pontos (p = folhas cor de púrpura,  = verdes; v = sementes resistentes a vírus,  = sensíveis; m = diafragR S Griffiths 00.indd 6 07.03.13 14:50:18 9,30 u.m.

Z

Nova cobertura da análise genética moderna

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Introdução à Genética    vii

O mapeamento de associação detecta um gene para o tamanho corporal em cães (b)

(a)

Valor de P

10-4

IGF1 Significance Limiar de significância threshold

Figura 19.18 (a) Resultados de um expe-

rimento de mapeamento de associação para o tamanho do corpo em cães. Cada ponto no gráfico representa o valor de P em um teste de associação entre um SNP e o tamanho do corpo. Os pontos acima da “linha limiar” mostram evidência de uma associação estatística significante. (b) Exemplos de uma raça canina pequena e uma grande. [Tetra Images/

10-2

1

35 40 45 50 46 51 43 48 12 17 22 27 3 8 crom 15 crom 1 crom 2 crom 3 crom 34 crom 37 Posição (Mb)

Corbis.]

Foco nos avanços mais importantes da genética Nesta 10a edição, aprimoramos a abordagem a vários tópicos importantes. RNA funcionais. A cobertura sobre os RNA funcionais agora consta do texto em vários capítulos: • No Capítulo 8 (RNA: Transcrição e Processamento), é feita uma introdução aos RNA funcionais, incluindo nova menção aos RNA de interação piwi e ncRNA, bem como

uma nova discussão sobre a descoberta de miRNA e seu processamento na célula. • O Capítulo 12 (Regulação da Expressão Gênica em Eucariotos) termina com uma nova seção sobre o papel do miRNA na regulação gênica após a transcrição. • No Capítulo 15 (Genoma Dinâmico: Elementos de Transposição), exploramos o papel da via de silenciamento do RNAi na prevenção da distribuição de elementos de transposição e a capacidade de alguns transposons, como os MITE, de escapar ao silenciamento.

Três experimentos que demonstram o silenciamento gênico (a) Fire/Mello: injeção de dsRNA

(b) Jorgensen: inserção de transgene

(c) Baulcombe: inserção de gene viral

1. dsRNA do gene unc-22 sintetizado em laboratório.

1. Transgene inserido em células de petúnia.

1. Gene viral inserido na planta de tabaco. Gene viral

unc-22 Gene

Antissenso

Transgene

Gene

dsRNA Senso

2. dsRNA injetado nos embriões de C. elegans.

Gene de pigmento endógeno

2. Plantas adultas crescidas de células transformadas têm setores brancos nas flores.

2. Embora exposta ao vírus, a planta cresceu saudável.

Microinjeção de solução com dsRNA

3. Adultos apresentam defeitos musculares.

Conclusão: o gene unc-22 foi silenciado

Conclusão: o transgene e o gene de pigmento endógeno foram silenciados

Conclusão: o gene viral foi silenciado

Figura 8.21 Três experimentos revelam os aspectos fundamentais do silenciamento gênico. (a) Fire e Mello demonstraram que cópias de dsRNA podem silenciar de maneira seletiva genes em C. elegans. (b) Jorgensen descobriu que um transgene pode silenciar um gene endógeno de petúnia necessário para a coloração floral. (c) Baulcombe mostrou que plantas com uma cópia de um transgene viral eram resistentes à infecção viral e produziam siRNA complementares ao genoma viral.

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viii    Introdução à Genética Técnicas modernas. Nesta 10a edição, o capítulo sobre técnicas aparece antes em relação à edição anterior; trata-se do Capítulo 10, no qual há uma introdução para o estudante ter ideia das técnicas comumente usadas em laboratórios. Na primeira seção do capítulo sobre genômica (Capítulo 14), por sua vez, o foco são as técnicas “comerciais” usadas em projetos de sequenciamento maciço de genomas. Ambos os capítulos foram atualizados para incluir os métodos modernos empregados para resolver os problemas genéticos, como: • Uso da PCR na construção de moléculas e clones de DNA recombinante • Encontro de genes pelo mapeamento fino • Pirossequenciamento • Sequenciamento de última geração de todo o genoma

• Um Índice de organismos-modelo, na guarda do livro, cita as páginas do texto em que se encontram referências a organismos específicos, possibilitando aos instrutores e estudantes encontrar com facilidade e obter informação comparativa sobre os organismos.

Grupos de problemas Não importa quão clara tenha sido a exposição, o conhecimento profundo requer que o estudante se engaje pessoalmente com o material, daí nosso esforço para estimulá-lo a resolver os problemas. Com o foco na análise genética, esta 10a edição fornece aos estudantes oportunidades de praticar habilidades para resolver os problemas de acordo com o seguinte:

Aspectos mantidos

• Conjuntos versáteis de problemas: os problemas abrangem todos os graus de dificuldade, sendo categorizados de acordo com os níveis – básicos ou desafiadores. • Questões sobre as figuras: um novo grupo de problemas incluído no final de cada capítulo abrange perguntas sobre as figuras estudadas. Essas questões estimulam o estudante a raciocinar sobre as figuras e o ajudam a avaliar seu entendimento dos principais conceitos. • Problemas resolvidos: no final de cada capítulo, esses exemplos ilustram como os geneticistas aplicam os princípios aos dados experimentais. • Como solucionar o problema: um problema de genética é um esboço de uma matriz complexa de conceitos e informação. Esta parte ajuda os estudantes a aprenderem a usar uma abordagem estratégica para resolver o problema, uma etapa de cada vez, conceito por conceito.

Cobertura de organismos-modelos

Como a genética é praticada hoje

Esta 10a edição mantém a cobertura a respeito dos sistemas que servem de modelo em formato prático e flexível tanto para estudantes como para instrutores.

Uma seção intitulada “O que os geneticistas estão fazendo hoje” sugere como as técnicas genéticas estão sendo utilizadas atualmente para responder a questões biológicas específicas, como “Qual a ligação entre encurtamento do telômero e envelhecimento?” ou “Como podemos encontrar componentes perdidos em uma via biológica específica?”

Genômica comparativa. No Capítulo 14 (Genomas e Genômica) revisto, ampliamos a cobertura sobre como a genômica comparativa traz informação sobre a análise genética e revela diferenças cruciais entre organismos. • Uma nova seção, “Inferência filogenética”, trata do uso da filogenia para determinar quais elementos genômicos foram ganhos ou perdidos durante a evolução. • Uma nova seção, “Genômica comparativa em seres humanos”, trata das variações no número de cópias e como podem ser adaptativas em algumas populações. • Uma nova discussão sobre a genômica comparativa da visão em cores faz um contraste entre camundongos e seres humanos.

• No Capítulo 1 há uma introdução a alguns dos principais organismos-modelo de e esclarecimentos sobre o sucesso obtido pelo seu uso. • Os Boxes Organismo-modelo são apresentados no contexto apropriado, fornecendo informação adicional sobre o organismo na natureza e seu uso experimental. • Um Guia resumido de organismos-modelo, no final do livro, garante acesso rápido a informações essenciais e práticas sobre os usos de organismos-modelo específicos em estudos de pesquisa.

Maior cobertura dos experimentos modernos Elaborados com base no foco tradicional do texto nos experimentos clássicos, os capítulos moleculares apresentam a evidência e a razão que levaram a alguns dos avanços mais recentes, incluindo a descoberta do RNAi e o nosso maior entendimento da regulação gênica nos eucariotos.

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Herança dos genes de organelas 3

Genes em cromossomos 2, 3, 4

Segregação igual 2

Primeira lei de Mendel 2

Segunda lei de Mendel 3

Herança monogênica 2 Meiose e mitose em eucariotos 2, 3

Herança quantitativa 3, 19

Genética de populações 18, 19, 20

Replicação do DNA 1, 7

Interação gênica 6, 11, 12, 13, 14

Tradução 9, 11, 12

Desenvolvimento 11, 12, 13

Regulação gênica 11, 12, 14

Transcrição 8, 11, 12

Epigenética 12

Rearranjos cromossômicos 17

O mapa mostra as divisões gerais da genética em boxes, com setas mostrando as principais conexões entre eles abordadas neste livro. Laranja, em termos gerais, é herança, roxo é função e verde é mudança. Os números indicam os capítulos que abrangem o tema, com discussões principais em negrito.

Transposons 15

Mutações em genes únicos 2, 16

Evolução 1, 14, 18, 19, 20

O GENOMA (DNA, genes, cromossomos) 1, 2, 3, 5, 7, 14, 15

Herança e recombinação de genes nos cromossomos das bactérias e plasmídios e dos genes de fagos 5, 10

Ligação 4, 17

Crossing-over 4, 16

Herança de mais de um gene 3, 4, 19

Recombinação 3, 4, 16

Segregação independente 3

Proporções mendelianas modificadas 6

MAPA DA GENÉTICA


Sumário 1 Revolução Genética nas Ciências da Vida, 1 1.1 Natureza da informação biológica, 2 Estrutura molecular do DNA, 3 O DNA está organizado em genes e cromossomos, 3

1.2 Como a informação adquire forma biológica, 7 Transcrição, 8 Tradução, 9 Como a vida se replica?, 9 Alteração no nível molecular do DNA, 11

1.3 Genética e evolução, 12 Seleção natural, 12 Construção de árvores evolutivas, 13

1.4 A genética proporciona uma abordagem nova e poderosa para a pesquisa biológica, 15 Genética direta, 16 Genética reversa, 16 Manipulação do DNA, 16 Detecção de se­quências específicas de DNA, RNA e proteí­na, 17

1.5 Organismos-modelo são cruciais na revolução genética, 19 1.6 A genética modifica a sociedade, 19 1.7 A genética e o futuro, 21 Resumo, 22

2 Herança Monogênica, 25 2.1 Padrões de herança monogênica, 27 Experimentos pioneiros de Mendel, 27 Lei de Mendel da segregação igual, 28

2.2 Base cromossômica dos padrões de herança monogênica, 31 Herança monogênica em diploides, 31 Herança monogênica em haploides, 33

2.3 Base molecular dos padrões de herança mendeliana, 33 Diferenças estruturais entre alelos no nível molecular, 35 Aspectos moleculares da transmissão gênica, 36 Alelos no nível molecular, 39

2.4 Descoberta de alguns genes pela observação das proporções de segregação, 41 Gene ativo no desenvolvimento da cor da flor, 41 Um gene para o desenvolvimento das asas, 42 Um gene para a ramificação das hifas, 42 Genética direta, 42

Previsão das proporções da prole ou genótipos parentais aplicando os princípios da herança monogênica, 43

2.5 Padrões de herança monogênica ligada ao sexo, 43 Cromossomos sexuais, 43 Padrões de herança ligada ao sexo, 44 Herança ligada ao X, 45

2.6 Análise de heredogramas humanos, 47 Distúrbios autossômicos recessivos, 48 Distúrbios autossômicos dominantes, 49 Polimorfismos autossômicos, 50 Distúrbios recessivos ligados ao X, 51 Distúrbios dominantes ligados ao X, 53 Herança ligada ao Y, 53 Cálculo de riscos na análise de heredogramas, 54

Resumo, 56

3 Distribuição Independente de Genes, 71 3.1 Lei de Mendel da distribuição independente, 72 3.2 Distribuição independente, 75 Como prever as proporções na prole, 76 Uso do teste de qui-quadrado nas proporções mono-híbridas e di-híbridas, 77 Síntese de linhagens puras, 79 Vigor híbrido, 80

3.3 Base cromossômica da distribuição independente, 81 Distribuição independente em organismos diploides, 82 Distribuição independente em organismos haploides, 82 Distribuição independente de genes autossômicos e ligados ao X, 84 Recombinação, 86

3.4 Herança poligênica, 87 3.5 Genes de organelas: herança independente do núcleo, 89 Padrões de herança em organelas, 90 Segregação citoplasmática, 92 Mutações citoplasmáticas em humanos, 93 O mtDNA nos estudos evolutivos, 94

Resumo, 95

4 Mapeamento de Cromossomos Eucarió­ticos por Recombinação, 105 4.1 Diagnóstico de ligação, 107 Uso de fre­quência de recombinantes para reconhecer ligação, 107

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xiv    Introdução à Genética Como os crossovers produzem recombinantes para genes ligados, 108 Simbolismo de ligação e terminologia, 108 Evidências de que o crossover é um processo de quebra e reunião, 109 Evidência de que o crossover ocorre no estágio de quatro cromátides, 109 Múltiplos crossovers conseguem incluir mais de duas cromátides, 109

4.2 Mapeamento por frequência de recombinação, 110 Unidades de mapa, 111 Cruzamento-teste de três pontos, 114 Dedução da ordem dos genes por inspeção, 115 Interferência, 115 Uso de proporções como diagnóstico, 116

4.3 Mapeamento com marcadores moleculares, 116 Polimorfismos de nucleo­tí­dio único, 116 Polimorfismos de comprimento de se­quência simples, 118 Detecção de polimorfismos de comprimento de se­quência simples, 118 Análise de recombinação usando marcadores moleculares, 119

4.4 Mapeamento de centrômero com tétrades lineares, 120 4.5 Uso do teste do qui-quadrado para testar análise de ligação, 121 4.6 Cômputo de crossovers múltiplos não vistos, 123 Função de mapa, 123 Fórmula de Perkins, 125

4.7 Uso de mapas baseados em recombinação em conjunto com mapas físicos, 125 4.8 Mecanismo molecular de crossover, 127 Resumo, 128

5 A Genética das Bactérias e seus Vírus, 145 5.1 Como trabalhar com mi­crorganismos, 147 5.2 Conjugação bacteriana, 148 Descoberta da conjugação, 148 Descoberta do fator de fertilidade (F), 149 Linhagens Hfr, 151 Mapeamento de cromossomos bacterianos, 156 Plasmídios F que carreiam fragmentos genômicos, 157 Plasmídios R, 159

5.3 Transformação bacteriana, 159 A natureza da transformação, 159 Mapeamento cromossômico usando transformação, 160

5.4 Genética de bacterió­fagos, 161 Infecção de bactérias por fagos, 161 Mapeamento de cromossomos de fagos usando cruzamentos de fagos, 162

5.5 Transdução, 164 Descoberta Transdução Transdução Mecanismo

da transdução, 164 generalizada, 165 especializada, 166 de transdução especializada, 167

5.6 Mapas físicos e de ligação comparados, 168 Resumo, 171

6 Interação Gênica, 181 6.1 Interações entre alelos de um único gene: variações de dominância, 182 Dominância completa e recessividade, 182 Dominância incompleta, 183 Codominância, 184 Alelos letais recessivos, 186

6.2 Interação de genes em vias bioquí­micas, 188 Vias bioquí­micas de síntese em Neurospora, 188 Interação gênica em outros tipos de vias bioquí­micas, 190

6.3 Como inferir as interações gênicas, 190 Classificação de mutantes usando o teste de complementação, 191 Análise de mutantes duplos por mutações aleatórias, 192

6.4 Penetrância e expressividade, 199 Resumo, 201

7 DNA: Estrutura e Replicação, 217 7.1 DNA: o material genético, 218 Descoberta da transformação, 218 Experimento de Hershey–Chase, 219

7.2 Estrutura do DNA, 220 Estrutura do DNA antes de Watson e Crick, 221 Dupla hélice, 223

7.3 Replicação semiconservativa, 226 Experimento de Meselson–Stahl, 227 A forquilha de replicação, 227 DNA polimerases, 228

7.4 Visão geral da replicação do DNA, 230 7.5 Replissomo: uma notável máquina de replicação, 232 Deselicoidização da dupla hélice, 232 Montagem do replissomo: início da replicação, 234

7.6 Replicação em organismos eucarió­ticos, 235 Replissomo eucarió­tico, 235 Origens da replicação eucarió­tica, 235 Replicação do DNA e o ciclo celular de levedura, 236 Origens de replicação em eucariotos superiores, 236

7.7 Telômeros e telomerase: término da replicação, 238 Resumo, 241

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Introdução à Genética    xv

8 RNA: Transcrição e Processamento, 245 8.1 RNA, 246 Os primeiros experimentos sugerem a existência de um RNA in­ter­me­diá­rio, 246 Propriedades do RNA, 247 Classes de RNA, 248

8.2 Transcrição, 249 Visão geral: o DNA como molde para a transcrição, 249 Estágios da transcrição, 250

8.3 Transcrição em eucariotos, 253 Início da transcrição em eucariotos, 254 Alongamento, término e processamento de pré-mRNA em eucariotos, 256

8.4 Remoção de íntrons e recomposição de éxons, 257 Pequenos RNA nu­cleares (snRNA): o mecanismo de recomposição dos éxons, 257 Autorrecomposição de íntrons e o mundo do RNA, 260

8.5 Pequenos RNA funcionais que regulam e protegem o genoma eucarió­tico, 260 Os miRNA são reguladores importantes da expressão gênica, 261 Os siRNA asseguram a estabilidade genômica, 262 Mecanismos semelhantes geram siRNA e miRNA, 264

Resumo, 265

9 Proteí­nas e sua Síntese, 269 9.1 Estrutura das proteí­nas, 271 9.2 Código genético, 273 Códigos superpostos versus não superpostos, 273 Número de letras no códon, 274 Uso de supressores para demonstrar um código triplo, 274 Degeneração (redundância) do código genético, 275 Como decifrar o código, 275 Códons de fim, 276

9.3 tRNA: o adaptador, 276 Tradução do códon pelo tRNA, 277 Novamente a redundância, 278

9.4 Ribossomos, 278 Características dos ribossomos, 280 Início, alongamento e término da tradução, 281 Mutações supressoras sem sentido, 284

9.5 Proteoma, 284 A recomposição alternativa gera isoformas de proteí­na, 285 Eventos pós-tradução, 286

Resumo, 289

10 Isolamento e Manipulação de Genes, 295 10.1 Visão geral: isolamento e amplificação de fragmentos específicos de DNA, 296

10.2 Produção de moléculas de DNA recombinante, 297 DNA genômico pode ser cortado antes da clonagem, 298 A reação em cadeia da polimerase amplifica re­giões selecionadas do DNA in vitro, 299 Cópias do DNA podem ser sintetizadas a partir de mRNA, 300 Ligação do DNA doador e do vetor, 300 Amplificação de DNA doador em uma célula bacteriana, 302 Construção de bibliotecas genômicas e de cDNA, 307

10.3 Descoberta de um clone específico de interesse, 308 Descoberta de clones específicos com o uso de sondas, 308 Detecção de clones específicos por complementação funcional, 309 Análise do DNA por Southern e Northern blot, 310

10.4 Determinação da se­quência de bases de um segmento de DNA, 313 10.5 Alinhamento genético e mapas físicos para isolar genes específicos, 314 Uso de clonagem posicional para identificar o gene de uma doen­ça humana, 316 Uso do mapeamento fino para identificar genes, 317

10.6 Engenharia genética, 319 Engenharia genética em Saccharomyces cerevisiae, 320 Engenharia genética em plantas, 321 Engenharia genética em animais, 322

Resumo, 326

11 Regulação da Expressão Gênica em Bactérias e seus Vírus, 331 11.1 Regulação gênica, 332 Bases da regulação transcricional procariótica: interruptores genéticos, 333 Um primeiro exame do circuito regulador lac, 334

11.2 Descoberta do sistema lac: controle negativo, 336 Genes controlados juntos, 337 Evidências genéticas do operador e do repressor, 337 Evidências genéticas da alosteria, 338 Análise genética do promotor lac, 339 Caracterização molecular do repressor Lac e do operador lac, 340 Mutações polares, 341

11.3 Repressão catabólica do óperon lac: controle positivo, 341 A base da repressão do catabólito lac: escolher o melhor açúcar para metabolizar, 341 Estrutura dos sítios-alvo no DNA, 342 Resumo do óperon lac, 342

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xvi    Introdução à Genética 11.4 Controle duplo positivo e negativo: o óperon de arabinose, 343 11.5 Vias metabólicas e níveis adicionais de regulação: atenuação, 343 11.6 Ciclos de vida de bacterió­fagos: mais reguladores, óperons complexos, 347 Anatomia molecular da mudança genética, 350 Ligação se­quência-específica de proteí­nas reguladoras ao DNA, 351

11.7 Fatores sigma alternativos regulam grandes conjuntos de genes, 352 Resumo, 354

12 Regulação da Expressão Gênica em Eucariotos, 359 12.1 Regulação transcricional em eucariotos: visão geral, 360 12.2 Lições das leveduras: o sistema GAL, 364 Gal4 regula vários genes pelas se­quências de ativação antecedentes, 364 A proteí­na Gal4 tem domínios de ligação ao DNA e ativação separáveis, 364 A atividade da Gal4 é regulada fisiologicamente, 366 Funções da Gal4 na maioria dos eucariotos, 366 Ativadores recrutam a maquinaria transcricional, 366 Controle do tipo reprodutivo de levedura: interações combinatórias, 367

12.3 Cromatina dinâmica, 368 Proteí­nas remodeladoras da cromatina e ativação gênica, 370 Histonas e remodelagem da cromatina, 371 Herança das modificações de histonas e estrutura da cromatina, 372 Metilação do DNA: outra marca hereditária que influencia a estrutura da cromatina, 372

12.4 Ativação a curto prazo de genes em um ambiente de cromatina, 373 Acen­tuassomo b-interferon, 374 Isoladores de bloqueio de acen­tuador, 375

12.5 Inativação a longo prazo de genes em um ambiente de cromatina, 376 Mudança do tipo reprodutivo e silenciamento gênico, 376 Comparação entre heterocromatina e eucromatina, 377 A variegação por efeito de posição em Drosophila revela vizinhanças genômicas, 377 A análise genética de PEV revela proteínas necessárias para a formação de heterocromatina, 379

12.6 Silenciamento gênero-específico de genes e cromossomos inteiros, 380 O imprinting genômico explica alguns padrões incomuns de herança, 381 Mas e quanto a Dolly e outros mamíferos clonados?, 382 Silenciamento de um cromossomo inteiro: inativação do cromossomo X, 382

12.7 Repressão gênica pós-transcricional pelos miRNA, 383 Resumo, 385

13 Controle Genético do Desenvolvimento, 389 13.1 Enfoque genético do desenvolvimento, 390 13.2 Toolkit genéticas para o desenvolvimento de Drosophila, 391 Classificação dos genes pela função no desenvolvimento, 392 Genes homeó­ticos e identidade segmentar, 393 Organização e expressão dos genes Hox, 394 Homeoboxe, 396 Grupos de genes Hox controlam o desenvolvimento na maioria dos animais, 397

13.3 Definição da toolkit, 399 Eixos anteroposterior e dorsoventral, 400 Expressão dos genes toolkit, 401

13.4 Regulação espacial da expressão gênica no desenvolvimento, 404 Gradientes maternos e ativação gênica, 404 Desenho das faixas: integração dos impulsos de proteí­nas gap, 405 Diferenciação dos segmentos: integração dos estímulos Hox, 406

13.5 Regulação pós-transcricional da expressão gênica no desenvolvimento, 410 Recomposição do RNA e determinação do sexo em Drosophila, 410 Regulação da tradução do mRNA e linhagem celular no C. elegans, 411 Controle da tradução no embrião inicial, 413 miRNA controla a cronologia do desenvolvimento em C. elegans e outras espécies, 414

13.6 De moscas a dedos, penas e placas do assoalho: os muitos papéi­s de genes toolkit, 415 13.7 Desenvolvimento e doen­ça, 416 Polidactilia, 416 Holoprosencefalia, 417 Câncer como uma doen­ça do desenvolvimento, 417

Resumo, 418

14 Genomas e Genômica, 421 14.1 Revolução genômica, 422 14.2 Obtenção da se­quência de um genoma, 423 Transformação das leituras de se­quências em uma se­quência montada, 423 Sequenciamento de um genoma inteiro, 425 WGS tradicional, 425 Sequenciamento shotgun de última geração de um genoma inteiro, 426 Montagem da se­quência do genoma inteiro, 426 Rumo ao genoma personalizado, 429

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Introdução à Genética    xvii 14.3 Bioinformática: significado da se­quência genômica, 429 Natureza do conteú­do de informação do DNA, 429 Dedução dos genes codificadores de proteína da se­quência genômica, 430

14.4 Estrutura do genoma humano, 433 14.5 Genômica comparativa, 435 Inferência filogenética, 436 Camundongos e humanos, 437 Genômica comparativa de chimpanzés e seres humanos, 438 Genômica comparativa de seres humanos, 439 Elementos não codificadores conservados e ultraconservados, 439 Genômica comparativa de E. coli não patogênica e patogênica, 440

14.6 Genômica funcional e genética reversa, 441 Omas, 441 Genética reversa, 445

Resumo, 448

15 Genoma Dinâmico: Elementos de Transposição, 453 15.1 Descoberta dos elementos de transposição no milho, 454 Os experimentos de McClintock: o elemento Ds, 454 Elementos autônomos e não autônomos, 457 Elementos transponíveis: só em milho?, 458

15.2 Elementos de transposição nos procariotos, 458 Se­quências bacterianas de inserção, 458 Transposons procarió­ticos, 459 Mecanismo de transposição, 459

15.3 Elementos de transposição nos eucariotos, 462 Classe I: retrotransposons, 462 Classe 2: transposons de DNA, 464 Utilidade dos transposons de DNA para a exploração dos genes, 467

15.4 Genoma dinâmico: mais elementos de transposição do que jamais se imaginou, 468 Genomas grandes são predominantemente elementos de transposição, 469 Elementos de transposição no genoma humano, 469 As gramíneas: retrotransposons LTR desenvolvem-se em grandes genomas, 470 Abrigos seguros, 471

15.5 Regulação epigenética de elementos de transposição pelo hospedeiro, 472 Resumo, 475

16 Mutação, Reparo e Recombinação, 479 16.1 Consequências fenotípicas das mutações no DNA, 480 Tipos de mutação de ponto, 480 Conse­quências moleculares das mutações de ponto em uma região codificadora, 481

Conse­quências moleculares das mutações de ponto em uma região não codificadora, 482

16.2 Base molecular das mutações espontâneas, 483 Teste de flutuação de Luria e Delbrück, 483 Mecanismos de mutações espontâneas, 485 Mutações espontâneas em humanos: doen­ças de repetições de trinucleo­tí­dios, 487

16.3 Base molecular das mutações induzidas, 488 Mecanismos de mutagênese, 488 Teste de Ames: avaliação de mutágenos em nosso ambiente, 491

16.4 Mecanismos biológicos de reparo, 491 Reversão direta de DNA danificado, 493 Reparo por excisão de base, 493 Reparo por excisão de nucleo­tí­dio, 494 Reparo pós-replicação: reparo de malpareamento, 497 Reparo propenso a erro: síntese de DNA translesão, 498 Reparo de quebras bifilamentares, 500 Envolvimento do reparo DSB na recombinação meió­tica, 502

16.5 Câncer: uma conse­quência fenotípica importante da mutação, 503 Como as células cancerosas diferem das células normais, 503 Mutações em células cancerosas, 504

Resumo, 505

17 Alterações Cromossômicas em Grande Escala, 509 17.1 Alterações no número de cromossomos, 510 Euploidia aberrante, 510 Aneuploidia, 518 O conceito de balanço gênico, 521

17.2 Alterações na estrutura do cromossomo, 524 Deleções, 525 Duplicações, 528 Inversões, 529 Translocações recíprocas, 532 Translocações robertsonianas, 533 Aplicações de inversões e translocações, 534 Rearranjos e câncer, 535 Identificação de mutações cromossômicas pela genômica, 536

17.3 Incidência geral de mutações cromossômicas humanas, 537 Resumo, 537

18 Genética de Populações, 551 18.1 Detecção da variação genética , 552 Polimorfismos de nucleo­tí­dio único (SNP), 552 Microssatélites, 553 Haplótipos, 554 Outras fontes e formas de variação, 554 Projeto HapMap, 555

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xviii    Introdução à Genética 18.2 Conceito de pool gênico e lei de HardyWeinberg, 556 18.3 Sistemas de acasalamento, 560 Cruzamento preferencial, 561 Isolamento pela distância, 561 Endocruzamento , 562 Coeficiente de endocruzamento, 562 Tamanho da população e endocruzamento, 564

18.4 Variação genética e sua medida, 565 18.5 Modulação da variação genética, 568 Novos alelos entram na população: mutação e migração, 569 Recombinação e desequilíbrio de ligação, 569 Deriva genética e tamanho da população, 571 Seleção , 575 Formas de seleção, 578 Equilíbrio entre mutação e deriva, 581 Equilíbrio entre mutação e seleção, 581

18.6 Aplicações biológicas e sociais, 582 Genética da conservação, 582 Cálculo dos riscos de doen­ças, 583 DNA forense, 583 Procurando no Google seus companheiros de DNA, 584

Resumo, 585

19 Herança de Traços Complexos, 591 19.1 Determinação da variação quantitativa, 592 Tipos de traço e herança, 592 A média, 593 Variância, 594 Distribuição normal, 595

19.2 Modelo genético simples para traços quantitativos, 595 Desvios genéticos e ambientais, 595 Variâncias genéticas e ambientais, 597 Correlação entre va­riá­veis, 598

19.3 Herdabilidade no sentido amplo: natureza versus criação, 600 Estimativa da herdabilidade em seres humanos a partir de estudos com gêmeos, 601

19.4 Herdabilidade no sentido restrito: previsão dos fenótipos, 603 Ação gênica e a transmissão de variação genética, 604 Efeitos aditivos e da dominância, 605 Um modelo com aditividade e dominância, 606 Herdabilidade no sentido restrito, 607 Previsão dos fenótipos da prole, 609 Seleção de traços complexos, 610

19.5 Mapeamento de QTL em populações com heredogramas conhecidos, 612 O método básico, 612 Do QTL ao gene, 616

19.6 Mapeamento de associação em populações que se reproduzem aleatoriamente, 617 O método básico, 618 GWA, genes, doen­ça e herdabilidade, 619

Resumo, 622

20 Evolução de Genes e Traços, 627 20.1 Evolução por seleção natural, 628 20.2 Evolução molecular: a teoria neutra, 631 Desenvolvimento da teoria neutra, 631 Taxa de substituições neutras, 632 Assinatura da seleção purificadora no DNA, 632

20.3 Seleção natural em ação: um caso exemplar, 633 Vantagem seletiva de HbS, 634 Origens moleculares de HbS, 635

20.4 Seleção cumulativa e vias de múltiplas etapas para a alteração funcional, 637 Vias de múltiplas etapas na evolução, 637 Assinatura de seleção positiva nas se­quências de DNA, 640

20.5 Evolução morfológica, 640 Alterações adaptativas em uma proteí­na reguladora de pigmento, 640 Inativação gênica, 642 Evolução da se­quência reguladora, 643 Perda de características pela evolução de se­quências reguladoras, 644 Evolução reguladora em seres humanos, 646

20.6 Origem de novos genes e funções proteicas, 647 Expansão do número de genes, 647 O destino de genes duplicados, 647

Resumo, 650

Guia Resumido de Organismos-modelo, 653 Escherichia coli, 654 Características especiais, 654 Análise genética, 655 Engenharia genética, 655 Contribuições principais, 655 Outras ­áreas de contribuição, 655

Saccharomyces cerevisiae, 656 Características especiais, 656 Análise genética, 656 Engenharia genética, 657 Contribuições principais, 657 Outras ­áreas de contribuição, 657

Neurospora crassa, 658 Características especiais, 658 Análise genética, 658 Engenharia genética, 659 Contribuições principais, 659 Outras ­áreas de contribuição, 659

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Introdução à Genética    xix Arabidopsis thaliana, 660 Características especiais, 660 Análise genética, 660 Engenharia genética, 661 Contribuições principais, 661 Outras ­áreas de contribuição, 661

Caenorhabditis elegans, 662 Características especiais, 662 Análise genética, 662 Engenharia genética, 663 Contribuições principais, 663 Outra ­área de contribuição, 663

Drosophila melanogaster, 664 Características especiais, 664 Análise genética, 664 Engenharia genética, 665

Contribuições principais, 665 Outras ­áreas de contribuição, 665

Mus musculus, 666 Características especiais, 666 Análise genética, 666 Engenharia genética, 667 Contribuições principais, 667 Outras ­áreas de contribuição, 667

Apêndice A, 669 Apêndice B, 670 Glossário, 673 Respostas dos Problemas Selecionados, 689 Índice Alfabético, 701

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Genética de Populações

18 Perguntas fundamentais • Que tipos de variação genética existem nas populações e em que proporção? • Que forças influenciam a variação nas populações? • Como é possível usar os princípios da genética de populações para abordar questões sobre saú­de humana, temas ambientais e evolução?

Concepção da artista Lynn Fellman do “Adão eurasiano”, um homem africano com um cromossomo Y pertencente ao grupo de haplótipos que foi o ancestral de todos os cromossomos Y de homens fora da África e que surgiu há aproximadamente 70.000  anos. [Lynn Fellman.]

E

m 2009, Sean Hodgson foi libertado de uma prisão britânica após cumprir 27  anos pelo assassinato de Teresa De Simone, uma balconista e garçonete que trabalhava em um bar. Hodgson, que sofre de doen­ça mental, inicialmente confessou o crime, mas retirou a confissão durante o processo. Durante todos os anos que passou na prisão, disse que era inocente. Mais de duas décadas após o crime, a justiça analisou o DNA do assaltante, encontrado na cena do crime, e descobriu que não era de Hodgson. Sua condenação foi revogada, e agora a polícia reabriu a investigação do assassinato de Teresa. Neste capítulo, você vai aprender que a análise ba­sea­da no DNA utilizada para libertar Hodgson depende da análise genética de populações. Os princípios da genética de populações são o cerne de muitas questões que afligem a sociedade atual. Quais são os riscos de um casal ter um filho com uma doen­ça genética? As práticas de cruzamento na agricultura e na pecuá­ria causaram perda da diversidade genética no âmbito da agroindústria e essa perda implica algum risco para nossa alimentação? Enquanto a população humana con­ti­nua a expandir-se e a vida selvagem se restringe a partes cada vez menores do planeta,

Tópicos 18.1 Detecção da variação genética 18.2 Conceito de pool gênico e lei de Hardy-Weinberg 18.3 Sistemas de acasalamento 18.4 Variação genética e sua medida 18.5 Modulação da variação genética 18.6 Aplicações biológicas e sociais

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556    Introdução à Genética Um haplótipo do cromossomo Y prevalente em homens asiá­ticos pode ser rastreado até a época de Genghis Khan (a) Aglomerado estelar

(b) RUSSIA RÚSSIA Orogen

Mar Negro

Hezhe

KAZAKSTAN CAZAQUISTÃO

Svan

Ewenki Ossetian

MONGOLIA MONGÓLIA

Geórgia

Armênia

Han (Inner(interior da Mongólia) Mongolian)

Mar de Aral

Lezgi Azeri

TURKMENISTAN TURQUIMENISTÃO

Cazaquistã

Tajik

Turca

AFGHANISTAN AFEGANISTÃO

Japonesa Manchu Coreana

Xibe

Chinesa do Cazaquistão Han xingjiang

Kalash

IRÃ

Mongol

Chinesa uyghur Kyrgyz

Huizu

Han (Gansu)

Balti

CHINA

OCEANO PACÍFICO

Hazara Brahui

Makrani Baloch

Baloch

Burusho

Tibetana

PAQUISTÃO PAKISTAN Makrani negroide

Qiangzu

Buyi

INDIA ÍNDIA

BANGLADESH

Yaozu (Bamma)

n>60

Yaozu (Liannan)

BHUTAN BUTÃO Hani

Cromossomos com Aglomerado Estelar

Shezu

Han (Sichuan)

NEPAL

Parsi

Han (heilongjiang)

Chinesa, coreana

Interior da Mongólia

Uyghur

Uzbek Curda

Daur

Han (Guangdong) Lizu

n=30

Figura 18.5 (a) Rede de haplótipos para os cromossomos Y de homens asiá­ticos mostrando a predominância do haplótipo aglomerado estelar que se acredita remontar a Genghis Khan. A ­área do círculo é proporcional ao número de in­di­ví­duos com o haplótipo específico representado pelo círculo. (b) Distribuição geográfica do haplótipo aglomerado estelar. As populações são mostradas como círculos com ­área proporcional ao tamanho da amostra; a proporção de in­di­ví­duos na amostra com cromossomos que carreiam o aglomerado estelar está indicada pelos setores verdes. Nenhum cromossomo com o aglomerado estelar foi encontrado nas populações que não têm setor verde no círculo. A ­área sombreada representa a extensão do império de Genghis Khan. [De T. Zerjal et al., Am. J. Hum. Genet. 72, 2003, 717-721.]

18.2 Conceito de pool gênico e lei de Hardy-Weinberg Talvez você já tenha visto pessoas fazendo um truque mortal e tenha pensado como elas correm risco de eliminar a si próprias do “pool gênico”. Ao pensar nisso, você estava usando o conceito do pool gênico, que vem da genética de populações e chegou ao conhecimento dos leigos. O conceito de pool gênico é um recurso básico para se pensar na variação genética em populações. Podemos definir o pool (conjunto) gênico como o somatório de todos os alelos nos membros reprodutivos de uma população em determinado momen-

to. Por exemplo, a Figura 18.7 mostra uma população de 16 rãs, cada uma com dois alelos no locus autossômico A. Por mera contagem, podemos determinar que há cinco homozigotas A/A, oito heterozigotas A/a e três homozigotas a/a. O tamanho da população, em geral simbolizado pela letra N, é de 16 in­di­ví­duos, e há um total de 32 ou 2N alelos nessa população diploide. Com esse simples conjunto de números, descrevemos o pool (conjunto) gênico. Os geneticistas de populações não costumam preocupar-se com contagens absolutas dos diferentes genótipos em uma população, mas sim com as fre­quências genotípicas. Podemos calcular a fre­quência do genótipo A/A simplesmente

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562    Introdução à Genética na fre­quência do alelo A de 0,9  perto de Kansas City e de 0,1 perto de Elkhart (Figura 18.11a). Obtivemos amostras de 100  pés de girassói­s de cada uma dessas duas cidades mais 100  de Hutchinson, que fica na região central do estado, e calculamos as fre­quências alélicas. Cada cidade representa uma subpopulação. A lei de Hardy-Weinberg funciona para qualquer das três cidades. Por exemplo, em Elkhart, esperamos Nq2 = 100  (0,9)2 = 81 homozigotos a/a e foi o que observamos. Entretanto, em todo o estado, previmos Nq2 = 300  (0,5)2 = 75 homozigotos a/a, mas observamos 107. Devido à estrutura populacional, há mais girassói­s homozigotos do que esperávamos. Número de in­di­ví­duos Kansas City Hutchinson Elkhart Em todo o estado (observado) Em todo o estado (esperado)

N

A/A

A/a

a/a

p

q

100 100 100 300

81 25 1 107

18 50 18 86

1 25 81 107

0,90 0,50 0,10 0,50

0,10 0,50 0,90 0,50

300

75

150

75

A fre­quência alélica pode variar ao longo de um gradiente (a) Frequência de A 1,0 0,5 0,0

Kansas City

Elkhart

Hutchinson

(b)

Frequência de FYnulo 10 – 50 50 – 70 70 – 75 75 – 80 80 – 85 85 – 90 90 – 95 95 – 100

Figura 18.11

(a) Variação na fre­quência alélica de uma espécie hipotética de girassol selvagem no estado do Kansas. (b) Variação na fre­quência do alelo FYnulo do locus do grupo sanguí­neo Duffy na África. [De P. C. Sabeti et al., Science 312, 2006, 1614-1620.]

Eis um exemplo de estrutura populacional de nossa própria espécie. Na África, o alelo FYnulo do grupo sanguí­neo Duffy mostra um gradiente com baixa fre­quência nas re­giões oriental e setentrional, fre­quência moderada na região meridional e alta fre­quência na região central (Figura  18.11b). Esse alelo é raro fora da África. Devido a esse gradiente, não podemos usar as fre­quências alélicas globais na África para calcular as fre­quências genotípicas empregando a lei de Hardy-Weinberg. Mais adiante neste capítulo e no Capítulo  20, vamos discutir a relação entre o FYnulo e a malária.

Mensagem. O cruzamento preferencial e o isolamento pela distância violam a lei de Hardy-Weinberg e podem causar fre­ quências genotípicas que se desviam das expectativas de HardyWeinberg.

Endocruzamento O terceiro tipo de vié­s ou tendenciosidade no acasalamento é o endocruzamento (inbreeding), ou cruzamento entre in­di­ ví­duos aparentados. Muito antes que se soubesse sobre alelos recessivos deletérios, muitas sociedades reconheciam que distúrbios como “retardo mental, surdez e cegueira” eram mais frequentes em filhos de casais consanguí­neos. Por isso, casamentos entre irmãos e entre primos de primeiro grau são proibidos ou desestimulados em muitas sociedades. Apesar disso, muitos in­di­ví­duos famosos se casaram com primos, incluindo Charles Darwin, Albert Einstein, J. S. Bach, Edgar Allan Poe, Jesse James e a Rainha Vitória. Como veremos, a prole de casamentos consanguí­neos corre maior risco de apresentar distúrbios hereditários. É mais provável que a progênie resultante de endocruzamento seja homozigota em qualquer locus do que a de casamentos não consanguí­neos. Portanto, é também mais provável que seja homozigota para alelos recessivos deletérios. Por esse motivo, o endocruzamento pode ocasionar redução no vigor e no sucesso reprodutivo, denominada depressão por endocruzamento. No entanto, o endocruzamento também tem vantagens. Em muitas espécies de plantas, a autopolinização e a endogamia têm alta prevalência. Tais plantas incluem o modelo Arabidopsis, uma erva daninha bem-sucedida, e os cereais produtivos cultivados arroz e trigo. Como a maioria das espécies de plantas tem órgãos masculi­nos e femininos no mesmo in­di­ví­duo, a autopolinização é um processo mais fácil do que o cruzamento entre dois in­di­ví­duos. Outra vantagem da autopolinização é que, quando uma única semente é espalhada em um novo local, a planta que cresce a partir dela já está pronta para se reproduzir, o que possibilita o estabelecimento de nova população a partir de uma única semente. Por fim, se uma planta in­di­vi­dual tiver uma combinação benéfica de alelos em loci diferentes, então o endocruzamento preservará aquela combinação. Nas espécies de plantas endogâmicas, benefícios como esses têm a vantagem de compensar o custo associado à depressão por endocruzamento.

Coeficiente de endocruzamento O endocruzamento aumenta o risco de que um in­di­ví­duo seja homozigoto para um alelo recessivo deletério e exiba

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570    Introdução à Genética Migrantes de todo o mundo contribuí­ram para os genomas de alguns sul-africanos

50

Percentual

Percentual do genoma de diferentes regiões continentais

100

África do Sul África ocidental Europa Leste Asiático Índia

PAB = pA  pB = 0,5  0,5 = 0,25

Figura 18.16

Representação gráfica da mistura genética em 39  pessoas de ancestralidade mista da África do Sul. Cada coluna representa o genoma de uma pessoa e as cores representam as partes de seu genoma que foram contribuição de seus ancestrais, vindos de muitas re­giões do mundo. A figura é ba­sea­da na análise genética de populações de mais de 800  microssatélites e 500 indels que foram classificados em quase 4.000 pessoas de todo o mundo, incluindo as 39 de ancestralidade mista da África do Sul. [De S. A. Tishkoff et al.,

Science 324, 2009, 1035-1044.]

que apenas dois haplótipos fossem encontrados na geração t0: AB e ab. Suponha que um in­di­ví­duo nessa população seja heterozigoto para esses dois haplótipos: A

B

a

b

B

a

Se a associação entre os alelos nos dois loci for aleatória, conforme descrito, diz-se que os dois loci estão em equilíbrio de ligação. Nesse caso, as fre­quências observada e esperada serão as mesmas. A Figura  18.17 apresenta o diagrama de um caso de dois loci em equilíbrio de ligação. Se a associação entre os alelos nos dois loci não for aleatória, diz-se que os loci estão em desequilíbrio de ligação (LD). Nesse caso, um alelo específico no primeiro locus está associado a um alelo específico no segundo locus mais fre-

O desequilíbrio de ligação é a associação não aleatória entre dois loci (a) Equilíbrio de ligação

Se ocorresse um crossing over nesse in­di­ví­duo, poderiam ser formados gametas com dois novos haplótipos, Ab e aB, que entrariam na população na geração t1. A

PAB = pA  pB PAb = pA  pb PaB = pa  pB Pab = pa  pb Por exemplo, suponha que a fre­quência de cada um dos alelos seja de 0,5, ou seja, pA = pa= pB = pb = 0,5. Quando obtemos uma amostra do conjunto gênico, a probabilidade de retirar um cromossomo com um alelo A é de 0,5. Se a relação entre os alelos no locus A e os alelos no locus B for aleatória, então a probabilidade de que o cromossomo selecionado tenha o alelo B também será de 0,5. Portanto, a probabilidade de retirarmos um cromossomo com o haplótipo AB é

0

Indivíduos

que combinasse essas duas variantes produziria uma proteí­ na com atividade quatro vezes maior. Agora vamos considerar as fre­quências observadas e esperadas dos quatro haplótipos possíveis para dois loci, cada um com dois alelos. Os loci ligados, A e B, têm alelos A e a e B e b, com fre­quências pA, pa, pB e pb, respectivamente. Os quatro haplótipos possíveis são AB, Ab, aB e ab, com as fre­ quências observadas PAB, PAb, PaB e Pab. Com que fre­quência esperamos encontrar cada um desses quatro haplótipos? Se houver uma relação aleatória entre os alelos nos dois loci, então a fre­quência de qualquer haplótipo será o produto das fre­quências dos dois alelos que compõem aquele haplótipo:

B

Assim, a recombinação pode criar uma variação que assume a forma de novos haplótipos. Os novos haplótipos podem ter propriedades únicas que alteram a função proteica. Por exemplo, suponha que um aminoá­cido variante em uma proteí­na em um haplótipo duplique a atividade enzimática da proteí­ na e um segundo aminoá­cido variante em outro haplótipo também duplique a atividade. Um evento de recombinação

(b) Desequilíbrio de ligação

A

B

A

B

A

B

A

B

A

b

A

B

A

b

A

B

a

B

a

b

a

B

a

b

a

b

a

b

a

b

a

b

pA = 0,5 pa = 0,5 pB = 0,5 pb = 0,5

PAB = 0,25 PAb = 0,25 PaB = 0,25 Pab = 0,25

pA = 0,5 pa = 0,5 pB = 0,5 pb = 0,5

PAB = 0,5 PAb = 0 PaB = 0 Pab = 0

Figura 18.17

(a) Equilíbrio de ligação e (b) desequilíbrio de ligação para dois loci (A e B).

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586    Introdução à Genética relógio molecular (p. 574) seleção artificial (p. 580) seleção balanceadora (p. 579) seleção direcional (p. 578)

seleção natural (p. 576) seleção positiva (p. 579) seleção purificadora (p. 579) sítios segregantes (S) (p. 566)

SNP comum (p. 553) SNP raro (p. 553) taxa de mutação (p. 569)

❚ Problemas resolvidos Problema resolvido 1. Cerca de 70% de todos os in­di­ví­duos caucasianos conseguem sentir o sabor da substância quí­mica feniltiocarbamida, e o restante não. A capacidade de sentir o sabor dessa substância é determinada pelo alelo dominante T, e a incapacidade é determinada pelo alelo recessivo t. Supondo que a população esteja no equilíbrio de HardyWeinberg, quais são as fre­quências genotípicas e alélicas nessa população?

Solução Como 70% sentem o sabor (T/T e T/t), 30% não sentem (t/t). Essa fre­quência de homozigotos recessivos é igual a q2; assim, para obter q, simplesmente obtemos a raiz quadrada de 0,30:

a. Se o coeficiente de endocruzamento dos membros fundadores for zero (F = 0), qual é o coeficiente de endocruzamento esperado nessa população no momento? b. No caso de um alelo para uma doen­ça deletéria com fre­ quência de 0,001 na vida selvagem, qual é a fre­quência prevista de aves homozigotas acometidas na vida selvagem e na população do zoológico no momento? Solução a. No Boxe 18.3, vimos que o endocruzamento aumentará no gráfico tamanho da população (N) versus tempo (t), conforme medido nas gerações de acordo com a seguinte equação:

(

F30 = 1 − 1 −

q = 0,30 = 0,55 Como p + q = 1, podemos escrever p = 1 – q = 1 – 0,55 = 0,45. Agora podemos calcular

p2 = (0,45)2 = 0,20, a fre­quência de T/T 2pq = 2  0,45  0,55 = 0,50, a fre­quência de T/t q2 = 0,3, a fre­quência de t/t

Problema resolvido 2. Em uma grande população experimental de Drosophila, o valor adaptativo relativo de um fenótipo recessivo calculado é 0,90 e a taxa de mutação para o alelo recessivo é de 5  10–5. Se a população estiver em equilíbrio, que fre­quências alélicas podem ser previstas?

Solução Aqui, a mutação e a seleção estão atuando em sentidos opostoss, de modo que é previsto um equilíbrio. Tal equilíbrio é descrito pela fórmula µ qˆ = s Na questão atual

t

)

1 (1 − F0 ) 2N

Substituindo em N = 50, t = 30 e F0 = 0, obtemos

(

Ft = 1 − 1 −

1 2 × 50

30

)

(1 − 0) = 0,26

b. Se a fre­quência de um alelo de doen­ça recessiva (q) na vida selvagem for 0,001, então, aplicando-se a lei de HardyWeinberg, prevemos que a fre­quência de in­di­ví­duos homozigotos acometidos na vida selvagem será q2 = 10–6. No caso da população do zoológico, a fre­quência de homozigotos será mais alta por causa do endocruzamento de acordo com a seguinte equação: fa/a = q2 + pqF Substituindo em q = 0,001, p = 0,999 e F = 0,26, obtemos fa/a = 10–6 + (0,001  0,999  0,26) = 2,61  10–4 A razão de 2,61  10–4 a 10–6 nos mostra que há aumento de 261 vezes na fre­quência esperada de in­di­ví­duos acometidos na população atual do zoológico, em comparação com a população selvagem ancestral. Problema resolvido 4. Em um processo criminal, o promotor

m = 5  10–5 e s = 1 – w = 1 – 0,9 = 0,1 Daí­ 5 × 10−5 qˆ = = 0,022 0,1 pˆ = 1 − 0,022 = 0,978 Problema resolvido 3. Uma colônia de 50 papagaios-do-mar

(Fratercula corniculata) é estabelecida em um zoológico e mantida por 30 gerações.

apresenta os genótipos de três loci de microssatélites do conjunto do CODIS do FBI. Ele relata que uma amostra de DNA da cena do crime e uma do suspeito apresentam o genótipo FGA1/FGA4, TPOX1/TPOX3, VWA2/VWA7 nesses três microssatélites. Ele também apresenta as fre­quências alélicas na população à qual o suspeito pertence (veja a tabela a seguir). Qual é a probabilidade de que o genótipo da evidência de DNA se combine com o do suspeito, se a pessoa que cometeu o crime e o suspeito forem in­di­ví­duos diferentes? Que suposições você faria ao calcular essa probabilidade?

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Evolução de Genes e Traços

20 Perguntas fundamentais

A teoria da evolução pela seleção natural foi desenvolvida independentemente por dois intrépidos naturalistas, Charles Darwin (1809-1882) e Alfred Russel Wallace (1823-1913), no decorrer de suas longas viagens. [Darwin, à esquerda: The Gallery Collection/Corbis; Wallace,

• Quais são os princípios básicos da evolução por seleção natural? • Que outros processos além da seleção natural são importantes na evolução molecular? • Como os traços e genes evoluem? • Quais são as assinaturas da seleção natural ou de sua ausência nas se­quências de DNA? • Por que as se­quências reguladoras são importantes na evolução dos traços morfológicos? • Como as funções de novos genes e proteí­nas evoluem?

à direita: Hutton Archive/Getty Images.]

C

harles Darwin (1809-1882) chegou às Ilhas Galápagos em 1835, no quarto ano do que supunha ser uma viagem de dois anos. Seria de imaginar que essas ilhas, agora ligadas para sempre ao nome de Darwin, foram o paraí­so do jovem naturalista. Longe disso. Darwin achou as ilhas terrivelmente quentes, com suas rochas magmáticas pretas expostas ao sol escaldante. Em seu diá­rio, ele anotou que “as árvores raquí­ticas mostram poucos sinais de vida… as plantas também têm um odor desagradável…. As rochas magmáticas pretas na praia são frequentadas por grandes (60 a 90 cm) lagartos desajeitados e repugnantes… Sem dúvida, eles dominam a terra que habitam”. Além dos lagartos e das tartarugas, a vida animal nas ilhas era escassa e nada impressionante. Ele mal podia esperar para sair daquele lugar. O explorador de 26  anos de idade não sabia que suas cinco semanas em Galápagos inspirariam uma série de ideias radicais que, uns 24 anos depois, com a publicação de seu livro A Origem das Espécies (1859), mudariam nossa percepção do mundo e de nosso lugar nele. Vários meses após deixar as ilhas, na última parte da viagem de volta à Inglaterra, Darwin teve sua primeira inspiração. Ele começou a organizar suas anotações de campo dos últimos cinco anos de exploração e coleta de materiais. Seu plano era que especialistas na Inglaterra estudassem suas coleções de fósseis, plantas, animais e rochas. Voltando às suas observações sobre as aves de Galápagos, ele lembrou que havia encontrado formas ligeiramente diferentes de tordos em três ilhas diferentes. Agora havia um quebra-cabeça. A visão prevalente da origem das

Tópicos 20.1 Evolução por seleção natural 20.2 Evolução molecular: a teoria neutra 20.3 Seleção natural em ação: um caso exemplar 20.4 Seleção cumulativa e vias de múltiplas etapas para a alteração funcional 20.5 Evolução morfológica 20.6 Origem de novos genes e funções proteicas

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Capítulo 20 | Evolução de Genes e Traços    629

Diversas espécies resultam de adaptação Comedores de sementes O bico dos comedores de sementes está adaptado para colher e triturar sementes. Tentilhão de solo grande (Geospiza magnitrostis) Tentilhão de solo médio (G. fortis) Tentilhão de solo pequeno (G. fuliginosa) Tentilhão de solo de bico afiado (G. difficilis) Tentilhão grande de cáctus (G. conirostris)

Os tentilhões de bico grande podem triturar sementes grandes e duras.

Os tentilhões de bico pequeno não podem triturar sementes grandes, estando mais adaptados para pegar sementes pequenas.

Os tentilhões de cáctus estão adaptados para abrir os frutos da planta e extrair as sementes.

Tentilhão de cáctus (G. scandens)

Comedor de brotos O bico forte do comedor de brotos está adaptado para agarrar e arrancar brotos dos ramos.

TENTILHÃO ANCESTRAL do continente sul-americano.

Tentilhão vegetariano (Platyspiza crassirostris)

Comedores de insetos O bico dos comedores de insetos varia porque eles comem insetos de tipos e tamanhos diferentes e os capturam de maneiras também diferentes.

Tentilhão arborícola pequeno (Camarhynchus parvulus) Tentilhão arborícola grande (C. psittacula)

O tentilhão arborícola grande usa seu bico forte para romper a madeira e alcançar larvas de insetos. Os tentilhões arborícolas pequeno e médio e o de mangue pegam insetos em folhas e ramos e exploram fendas em busca de presas escondidas.

Tentilhão arborícola médio (C. pauper) Tentilhão de mangue (C. heliobates) Tentilhão pica-pau (C. pallidus) Tentilhão cantor (Certhidea olivacea)

O tentilhão pica-pau usa seu bico longo para procurar insetos em madeira morta, fendas e casca de árvores. O tentilhão cantor usa movimentos rápidos para capturar insetos na superfície das plantas.

Figura 20.1

As 13 espécies de tentilhões encontradas nas Ilhas Galápagos. [De W. K. Purves, G. H. Orians e H. C. Heller, Life: The Science of Biology, 4th ed. Sinauer Associates/W. H. Freeman and Company, 1995, Fig. 20.3, p. 450.]

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Capítulo 20 | Evolução de Genes e Traços    641

Contraste de cores no deserto Pinacate

Figura 20.10

O fluxo de lava no deserto Pinacate produziu rochas pretas adjacentes a substratos da cor da areia. [Fotografia por cortesia

de Michael Nachman, University of Arizona.]

a regulação da atividade receptora pela proteí­na aguti. Na verdade, as mutações em mc1r estão associadas a melanismo em todos os tipos de vertebrados selvagens e domesticados. Muitas dessas mutações alteram re­sí­duos na mesma parte da proteí­na MC1R, e as mesmas mutações ocorreram de modo independente em algumas espécies (Figura 20.12).

De muitas maneiras, podemos pensar que esses roedores de pelagem escura são análogos aos tentilhões das Galápagos e às rochas magmáticas como novos habitats “insulares” produzidos pela mesma atividade vulcânica que produziu as ilhas Galápagos. O roedor com pelagem cor de areia parece ser o tipo ancestral, similar ao tentilhão ancestral do continente que

Melanismo nos roedores Chaetodipus intermedius

Figura 20.11

Chaetodipus intermedius de pelagem clara e escura da região de Pinacate do Arizona, mostrados em solo cor de areia e na rocha magmática preta. [Fotografias por cortesia de Michael Nachman, de M. W. Nachman, H. E. Hoekstra e S. L. D’Agostino, “The Genetic Basis of Adaptive Melanism in Pocket Mice”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 2003, 5268-5273.]

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Griffiths Wessler Carroll Doebley

GENÉTICA DÉCIMA EDIÇÃO

Sobre a capa

1 Revolução Genética nas Ciências da Vida, 1 2 Herança Monogênica, 25 3 Distribuição Independente de Genes, 71 4 Mapeamento de Cromossomos Eucarióticos por Recombinação, 105 5 A Genética das Bactérias e seus Vírus, 145 6 Interação Gênica, 181 7 DNA: Estrutura e Replicação, 217 8 RNA: Transcrição e Processamento, 245 9 Proteínas e sua Síntese, 269 10 Isolamento e Manipulação de Genes, 295

INTRODUÇÃO À

11 Regulação da Expressão Gênica em Bactérias e seus Vírus, 331

GENÉTICA

As variações dos padrões de pigmentação das flores de Petunia hybrida ilustradas nesta capa se devem a três mecanismos genéticos diferentes. O padrão da flor localizada à direita, na parte superior, é resultado da combinação de um alelo recessivo para a coloração das pétalas com um alelo dominante para a coloração das nervuras. Já a flor situada à direita, na parte inferior, apresenta um padrão em estrela, cujos setores brancos resultam da degradação direcionada do produto do mRNA de um gene que codifica a calcona sintase (uma das enzimas ativas em uma fase inicial da via metabólica dos pigmentos). Na flor exposta à esquerda, por sua vez, observam-se setores pigmentados que resultam da excisão de um transposon de um gene cujo produto é necessário para a pigmentação das flores.

INTRODUÇÃO À

Sumário

12 Regulação da Expressão Gênica em Eucariotos, 359 13 Controle Genético do Desenvolvimento, 389 14 Genomas e Genômica, 421 15 Genoma Dinâmico: Elementos de Transposição, 453 16 Mutação, Reparo e Recombinação, 479 17 Alterações Cromossômicas em Grande Escala, 509 18 Genética de Populações, 551 19 Herança de Traços Complexos, 591 20 Evolução de Genes e Traços, 627 Guia Resumido de Organismos-modelo, 653 Apêndice A, 669 Apêndice B, 670 Glossário, 673 Respostas dos Problemas Selecionados, 689

DÉCIMA EDIÇÃO

Anthony J. F. Griffiths

Índice Alfabético, 701

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