Genética

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Genética, estudo da hereditariedade em geral e dos genes em particular. A genética forma um dos pilares centrais da biologia e se sobrepõe a muitas outras áreas, como a agricultura, medicina e biotecnologia.

Desde o início da civilização, a humanidade tem reconhecido a influência da hereditariedade e aplicado seus princípios ao melhoramento de cultivos e animais domésticos. Uma pastilha babilônica com mais de 6.000 anos, por exemplo, mostra pedigrees de cavalos e indica possíveis características herdadas. Outras esculturas antigas mostram a polinização cruzada de palmeiras tâmaras. A maioria dos mecanismos de hereditariedade, no entanto, permaneceu um mistério até o século XIX, quando a genética como ciência sistemática começou.

A genética surgiu da identificação dos genes, as unidades fundamentais responsáveis pela hereditariedade. A genética pode ser definida como o estudo dos genes em todos os níveis, incluindo as formas como eles atuam na célula e as formas como eles são transmitidos dos pais para os descendentes. A genética moderna se concentra na substância química de que os genes são feitos, chamada ácido desoxirribonucleico, ou DNA, e as formas pelas quais ela afeta as reações químicas que constituem os processos vivos dentro da célula. A ação dos genes depende da interação com o meio ambiente. As plantas verdes, por exemplo, possuem genes contendo as informações necessárias para sintetizar o pigmento fotossintético clorofila que lhes confere sua cor verde. A clorofila é sintetizada em um ambiente que contém luz porque o gene da clorofila é expresso somente quando interage com a luz. Se uma planta é colocada em um ambiente escuro, a síntese da clorofila pára porque o gene não é mais expresso.

A genética como disciplina científica nasceu do trabalho de Gregor Mendel em meados do século XIX. Mendel suspeitava que as características eram herdadas como unidades discretas e, embora ele não soubesse nada sobre a natureza física ou química dos genes na época, suas unidades tornaram-se a base para o desenvolvimento da compreensão atual da hereditariedade. Todas as pesquisas atuais em genética podem ser rastreadas até a descoberta por Mendel das leis que regem a herança de traços. A palavra genética foi introduzida em 1905 pelo biólogo inglês William Bateson, que foi um dos descobridores da obra de Mendel e que se tornou um campeão dos princípios de herança de Mendel.

Antecedentes históricos

Antigas teorias sobre pangenesia e sangue na hereditariedade

Embora as evidências científicas de padrões de herança genética não tenham surgido até o trabalho de Mendel, a história mostra que a humanidade deve ter se interessado pela hereditariedade muito antes do amanhecer da civilização. A curiosidade deve ter sido baseada em semelhanças familiares humanas, tais como semelhança na estrutura corporal, voz, marcha e gestos. Tais noções foram fundamentais para o estabelecimento das dinastias familiares e reais. As primeiras tribos nômades estavam interessadas nas qualidades dos animais que pastoreavam e domesticavam e, sem dúvida, criavam de forma seletiva. Os primeiros assentamentos humanos que praticavam a agricultura parecem ter selecionado plantas de cultivo com qualidades favoráveis. As pinturas de tumbas antigas mostram pedigrees de criação de cavalos de raça contendo representações claras da herança de vários traços físicos distintos nos cavalos. Apesar deste interesse, as primeiras especulações registradas sobre hereditariedade não existiam até o tempo dos antigos gregos; alguns aspectos de suas idéias ainda hoje são considerados relevantes.

Hipócrates (c. 460-c. 375 a.C.), conhecido como o pai da medicina, acreditava na herança das características adquiridas e, para explicar isso, ele concebeu a hipótese conhecida como pangenesia. Ele postulou que todos os órgãos do corpo de um dos pais emitiam “sementes” invisíveis, que eram como componentes de construção miniaturizados e eram transmitidas durante a relação sexual, remontando-se no ventre da mãe para formar um bebê.

Aristóteles (384-322 a.C.) enfatizou a importância do sangue na hereditariedade. Ele pensou que o sangue fornecia material generativo para a construção de todas as partes do corpo adulto, e raciocinou que o sangue era a base para passar este poder generativo para a geração seguinte. Na verdade, ele acreditava que o sêmen do homem era sangue purificado e que o sangue menstrual de uma mulher era seu equivalente ao sêmen. Estas contribuições masculinas e femininas se uniram no útero para produzir um bebê. O sangue continha algum tipo de essências hereditárias, mas ele acreditava que o bebê se desenvolveria sob a influência dessas essências, em vez de ser construído a partir das essências em si.

As idéias de Aristóteles sobre o papel do sangue na procriação foram provavelmente a origem da noção ainda prevalecente de que de alguma forma o sangue está envolvido na hereditariedade. Hoje as pessoas ainda falam de certos traços como sendo “no sangue” e de “linhas de sangue” e “laços de sangue”. O modelo grego de herança, no qual foi invocada uma multidão abundante de substâncias, era diferente do modelo mendeliano. A idéia de Mendel era que diferenças distintas entre indivíduos são determinadas por diferenças em fatores hereditários únicos mas poderosos. Esses fatores hereditários únicos foram identificados como genes. As cópias dos genes são transmitidas através do esperma e do óvulo e guiam o desenvolvimento da descendência. Os genes também são responsáveis por reproduzir as características distintas de ambos os pais que são visíveis em seus filhos.

Pré-formação e seleção natural

Nos dois milênios entre as vidas de Aristóteles e Mendel, poucas idéias novas foram registradas sobre a natureza da hereditariedade. Nos séculos XVII e XVIII, foi introduzida a idéia da pré-formação. Os cientistas que utilizavam os microscópios recentemente desenvolvidos imaginavam que podiam ver réplicas em miniatura de seres humanos dentro de cabeças de espermatozóides. O biólogo francês Jean-Baptiste Lamarck invocou a idéia da “herança de caracteres adquiridos”, não como uma explicação para a hereditariedade, mas como um modelo de evolução. Ele viveu numa época em que a fixidez das espécies era tida como certa, mas ele sustentava que essa fixidez só era encontrada em um ambiente constante. Ele enunciou a lei de uso e desuso, que afirma que quando certos órgãos se tornam especialmente desenvolvidos como resultado de alguma necessidade ambiental, então esse estado de desenvolvimento é hereditário e pode ser transmitido à progênie. Ele acreditava que desta forma, durante muitas gerações, as girafas poderiam surgir de animais semelhantes a cervos que tinham que continuar esticando o pescoço para alcançar folhas altas nas árvores.

O naturalista britânico Alfred Russel Wallace postulou originalmente a teoria da evolução através da seleção natural. Entretanto, as observações de Charles Darwin durante sua circunavegação do globo a bordo do HMS Beagle (1831-36) forneceram evidências para a seleção natural e sua sugestão de que humanos e animais compartilharam uma ancestralidade comum. Muitos cientistas da época acreditavam num mecanismo hereditário que era uma versão da antiga idéia grega de pangenesia, e as idéias de Darwin não pareciam se encaixar na teoria de hereditariedade que surgiu das experiências de Mendel.

O trabalho de Mendel

Antes de Gregor Mendel, as teorias para um mecanismo hereditário eram baseadas em grande parte na lógica e na especulação, não na experimentação. Em seu jardim do mosteiro, Mendel realizou um grande número de experimentos de polinização cruzada entre variantes da ervilha de jardim, que ele obteve como linhas de pura criação. Ele cruzou ervilhas com sementes amarelas com aquelas com sementes verdes e observou que as sementes da descendência (a primeira geração, F1) eram todas amarelas. Quando os indivíduos de F1 eram auto-polinizados ou cruzados entre si, sua prole (F2) apresentava uma proporção de 3:1 (3/4 amarelo e 1/4 verde). Ele deduziu que, como a geração F2 continha alguns indivíduos verdes, os determinantes do verde devem ter estado presentes na geração F1, embora não tenham sido expressos porque o amarelo é dominante sobre o verde. Da relação matemática precisa 3:1 (da qual ele encontrou vários outros exemplos), ele deduziu não apenas a existência de unidades hereditárias discretas (genes), mas também que as unidades estavam presentes aos pares na planta da ervilha e que os pares se separavam durante a formação do gamete. Assim, as duas linhas originais de plantas de ervilha foram propostas para serem YY (amarelo) e yy (verde). Os gametas destas eram Y e y, produzindo assim uma geração F1 de Yy que eram amarelas devido ao domínio de Y. Na geração F1, metade dos gametas eram Y e a outra metade era y, fazendo com que a geração F2 fosse produzida de acasalamento aleatório 1/4 Yy, 1/2 YY, e 1/4 yy, explicando assim a proporção 3:1. As formas dos genes da cor da ervilha, Y e y, são chamadas de alelos.

Mendel também analisou linhas puras que diferiam em pares de caracteres, como a cor da semente (amarelo versus verde) e a forma da semente (redonda versus enrugada). O cruzamento de sementes amarelas redondas com sementes verdes enrugadas resultou em uma geração F1 que eram todas amarelas e redondas, revelando a dominância dos traços amarelo e redondo. Entretanto, a geração F2 produzida pela auto-polinização das plantas F1 mostrou uma proporção de 9:3:3:1 (9/16 redonda amarela, 3/16 amarela enrugada, 3/16 redonda verde, e 1/16 verde enrugada; observe que uma proporção de 9:3:3:1 é simplesmente duas proporções de 3:1 combinadas). A partir deste resultado e outros como ele, ele deduziu o sortimento independente de pares de genes separados na formação do gamete.

O sucesso de Mendel pode ser atribuído em parte a sua abordagem experimental clássica. Ele escolheu bem seu organismo experimental e realizou muitos experimentos controlados para coletar dados. A partir de seus resultados, ele desenvolveu brilhantes hipóteses explicativas e passou a testar essas hipóteses experimentalmente. A metodologia de Mendel estabeleceu um protótipo para a genética que ainda hoje é usado para a descoberta de genes e para a compreensão das propriedades genéticas da herança.

Como a ideia do gene se tornou realidade

Os genes de Mendel eram apenas entidades hipotéticas, fatores que se podia inferir que existiam para explicar seus resultados. O século 20 viu enormes avanços no desenvolvimento da compreensão da natureza dos genes e de como eles funcionam. As publicações de Mendel não foram mencionadas na literatura de pesquisa até 1900, quando as mesmas conclusões foram alcançadas por vários outros investigadores. Seguiram-se centenas de trabalhos mostrando a herança mendeliana em uma grande variedade de plantas e animais, inclusive humanos. Parecia que as ideias de Mendel eram de validade geral. Muitos biólogos observaram que a herança de genes era muito semelhante à herança de cromossomos durante as divisões nucleares, chamadas meiose, que ocorrem nas divisões celulares imediatamente antes da formação do gameta.

A descoberta de genes ligados

Parecia que os genes eram partes de cromossomos. Em 1910 esta idéia foi reforçada através da demonstração de herança paralela de certos genes Drosophila (um tipo de mosca da fruta) em cromossomos determinantes do sexo pelo zoólogo e geneticista americano Thomas Hunt Morgan. Morgan e um de seus alunos, Alfred Henry Sturtevant, mostraram não apenas que certos genes pareciam estar ligados no mesmo cromossomo, mas que a distância entre genes no mesmo cromossomo poderia ser calculada medindo a freqüência com que novas combinações cromossômicas surgiram (estas foram propostas para serem causadas pela quebra e reunião cromossômica, também conhecida como crossing over). Em 1916, outro estudante da Morgan, Calvin Bridges, usou moscas da fruta com um cromossomo extra para provar, sem dúvida razoável, que a única maneira de explicar a herança anormal de certos genes era se eles fizessem parte do cromossomo extra. O geneticista americano Hermann Joseph Müller mostrou que novos alelos (chamados de mutações) podiam ser produzidos em altas freqüências através do tratamento de células com raios X, a primeira demonstração de um agente mutagênico ambiental (as mutações também podem surgir espontaneamente). Em 1931, a botânica americana Harriet Creighton e a cientista americana Barbara McClintock demonstraram que novas combinações alélicas de genes ligados eram correlacionadas com partes cromossômicas trocadas fisicamente.

Herança ligada ao sexo de olhos brancos em moscas Drosophila.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Herança ligada ao sexo de olhos brancos em moscas Drosophila.
Encyclopædia Britannica, Inc.

Genética molecular precoce

Em 1908 o médico britânico Archibald Garrod propôs a importante idéia de que a alcaptonúria da doença humana, e algumas outras doenças hereditárias, eram causadas por erros inatos do metabolismo, sugerindo pela primeira vez que os genes ligados tinham ação molecular em nível celular. A genética molecular não começou seriamente até 1941, quando o geneticista americano George Beadle e o bioquímico americano Edward Tatum mostraram que os genes que estavam estudando no fungo Neurospora crassa agiram codificando para proteínas catalíticas chamadas enzimas. Estudos posteriores em outros organismos estenderam esta idéia para mostrar que os genes geralmente codificam para as proteínas. Logo depois, o bacteriólogo americano Oswald Avery, o geneticista canadense Colin M. MacLeod e o biólogo americano Maclyn McCarty mostraram que os genes bacterianos são feitos de DNA, um achado que mais tarde foi estendido a todos os organismos.

O DNA e o código genético

Um marco importante foi alcançado em 1953 quando o geneticista e biofísico americano James D. Watson e os biofísicos britânicos Francis Crick e Maurice Wilkins conceberam um modelo de dupla hélice para a estrutura do DNA. Seu avanço foi possível graças ao trabalho da cientista britânica Rosalind Franklin, cujos estudos de difração de raios X da molécula de DNA iluminaram sua estrutura helicoidal. O modelo de dupla hélice mostrou que o DNA era capaz de auto-replicação, separando seus fios complementares e utilizando-os como modelos para a síntese de novas moléculas de DNA. Cada um dos fios interligados de DNA foi proposto para ser uma cadeia de grupos químicos chamados nucleotídeos, dos quais se sabia que existiam quatro tipos. Como as proteínas são cadeias de aminoácidos, foi proposto que uma seqüência nucleotídica específica de DNA poderia conter um código para uma seqüência de aminoácidos e, portanto, estrutura protéica. Em 1955, o biólogo molecular americano Seymour Benzer, estendendo estudos anteriores em Drosophila, mostrou que os locais mutantes dentro de um gene podiam ser mapeados em relação uns aos outros. Seu mapa linear indicava que o próprio gene é uma estrutura linear.

Em 1958 o método de separação de fios para replicação de DNA (chamado método semiconservador) foi demonstrado experimentalmente pela primeira vez pelo biólogo molecular americano Matthew Meselson e pelo geneticista americano Franklin W. Stahl. Em 1961, Crick e a bióloga sul-africana Sydney Brenner mostraram que o código genético deve ser lido em trigêmeos de nucleotídeos, chamados de códons. O geneticista americano Charles Yanofsky mostrou que as posições de locais mutantes dentro de um gene correspondiam perfeitamente às posições de aminoácidos alterados na seqüência de aminoácidos da proteína correspondente. Em 1966, os bioquímicos americanos Marshall Nirenberg e Har Gobind Khorana deduziram o código genético completo de todas as 64 unidades possíveis de codificação de trigêmeos (códons), e os aminoácidos específicos para os quais eles codificam. Estudos subseqüentes em muitos organismos mostraram que a estrutura helicoidal dupla do DNA, o modo de sua replicação e o código genético são os mesmos em praticamente todos os organismos, incluindo plantas, animais, fungos, bactérias e vírus. Em 1961, o biólogo francês François Jacob e o bioquímico francês Jacques Monod estabeleceram o modelo prototípico de regulação gênica, mostrando que os genes bacterianos podem ser ligados (iniciando a transcrição em RNA e a síntese de proteínas) e desligados através da ação de ligação das proteínas reguladoras a uma região a montante da região codificadora do gene.

A tecnologia do DNA recombinante e a reação em cadeia da polimerase

Os avanços técnicos têm desempenhado um papel importante no avanço da compreensão genética. Em 1970, os microbiologistas americanos Daniel Nathans e Hamilton Othanel Smith descobriram uma classe especializada de enzimas (chamadas de enzimas de restrição) que cortam o DNA em seqüências específicas de nucleotídeos alvos. Essa descoberta permitiu ao bioquímico americano Paul Berg, no início dos anos 70, fazer a primeira molécula de DNA recombinante artificial, isolando moléculas de DNA de diferentes fontes, cortando-as e unindo-as em um tubo de ensaio. Pouco tempo depois, os bioquímicos americanos Herbert W. Boyer e Stanley N. Cohen criaram métodos para produzir plasmídeos recombinantes (elementos de DNA circular extragenômico), que se replicavam naturalmente quando inseridos em células bacterianas. Estes avanços permitiram clonar genes individuais (amplificados a um número elevado de cópias), emendando-os em moléculas de DNA auto-replicáveis, tais como plasmídeos ou vírus, e inserindo-os em células bacterianas vivas. Destas metodologias surgiu o campo da tecnologia do DNA recombinante que passou a dominar a genética molecular. Em 1977, dois métodos diferentes foram inventados para determinar a sequência nucleotídica do DNA: um pelos biólogos moleculares americanos Allan Maxam e Walter Gilbert e o outro pelo bioquímico inglês Fred Sanger. Tais tecnologias tornaram possível examinar a estrutura dos genes diretamente pelo sequenciamento de nucleotídeos, resultando na confirmação de muitas das inferências sobre os genes originalmente feitas indiretamente.

Na década de 1970, o bioquímico canadense Michael Smith revolucionou a arte de redesenhar genes ao conceber um método para induzir mutações especificamente adaptadas em locais definidos dentro de um gene, criando uma técnica conhecida como mutagênese dirigida ao local. Em 1983, o bioquímico americano Kary B. Mullis inventou a reação em cadeia da polimerase, um método para detectar e amplificar rapidamente uma seqüência específica de DNA sem cloná-la. Na última década do século XX, o progresso na tecnologia do DNA recombinante e no desenvolvimento de máquinas de sequenciamento automatizado levou à elucidação de sequências completas de DNA de vários vírus, bactérias, plantas e animais. Em 2001, a seqüência completa de DNA humano, aproximadamente três bilhões de pares de nucleotídeos, foi tornada pública.

Linha do Tempo de Marcos Importantes na História da Genética

Uma linha cronológica de marcos importantes na história da genética é fornecida na tabela.

anoevento
Gregor mendel1866O botânico austríaco Gregor Mendel publicou os resultados de seus experimentos com plantas de ervilha. Seu trabalho mais tarde forneceu a base matemática da ciência da genética.
Miescher, Friedrich1869O bioquímico suíço Johann Friedrich Miescher foi o primeiro a isolar a nucleína – agora conhecida como DNA . Embora ele tenha desenvolvido hipóteses explicando o papel da nucleína na hereditariedade , ele finalmente concluiu que uma molécula sozinha não poderia fornecer o nível de variação observado na natureza dentro e entre as espécies.
Lei de segregação de Mendel1900Os experimentos de Mendel foram redescobertos de forma independente pelo botânico e geneticista holandês Hugo de Vries , pelo botânico e geneticista alemão Carl Erich Correns e pelo botânico austríaco Erich Tschermak von Seysenegg , dando origem à ciência moderna da genética.
1928O bacteriologista inglês Frederick Griffith conduziu experimentos sugerindo que as bactérias são capazes de transferir informações genéticas e que essa transformação é hereditária.
McClintock, Barbara1931Os cientistas americanos Harriet B. Creighton e Barbara McClintock publicaram um artigo demonstrando que novas combinações alélicas de genes ligados são correlacionadas com partes de cromossomos fisicamente trocadas . Suas descobertas sugeriram que os cromossomos formam a base da genética.
proposta inicial da estrutura do DNA1944O bacteriologista canadense Oswald Avery e os biólogos americanos Maclyn McCarty e Colin MacLeod relataram que a substância transformadora – o material genético da célula – era o DNA.
cadeia polinucleotídica do ácido desoxirribonucleico (DNA)1950O bioquímico americano nascido na Áustria, Erwin Chargaff, descobriu que os componentes do DNA são pareados na proporção de 1: 1. Assim, a quantidade de adenina (A) é sempre igual à quantidade de timina (T), e a quantidade de guanina (G) é sempre igual à quantidade de citosina (C).
Rosalind Franklin1951Os cientistas britânicos Rosalind Franklin , Maurice Wilkins e Raymond Gosling conduziram estudos de difração de raios-X que forneceram imagens da estrutura helicoidal das fibras de DNA.
1953Usando os dados de Chargaff e as imagens de raios-X registradas por Franklin, Wilkins e Gosling, os biofísicos britânicos James Watson e Francis Crick determinaram a estrutura molecular do DNA. Watson, Crick e Wilkins compartilharam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1962 por sua descoberta.
DNA recombinanteDécada de 1960O microbiologista suíço Werner Arber e os microbiologistas americanos Hamilton Othanel Smith e Daniel Nathans descobriram enzimas de restrição , que dividem o DNA em fragmentos. A descoberta, pela qual os três homens compartilharam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1978, permitiu aos cientistas manipular genes removendo e inserindo sequências de DNA.
reação em cadeia da polimeraseDécada de 1970Os biólogos moleculares americanos Allan M. Maxam e Walter Gilbert e o bioquímico inglês Frederick Sanger desenvolveram algumas das primeiras técnicas de sequenciamento de DNA . Gilbert e Sanger compartilharam o Prêmio Nobel de Química de 1980 por seu trabalho.
Sequenciamento de DNA1983A bioquímica americana Kary B. Mullis inventou a reação em cadeia da polimerase (PCR), uma técnica simples que permite que um trecho específico de DNA seja copiado bilhões de vezes em poucas horas. Mullis recebeu o Prêmio Nobel de Química de 1993 por sua invenção.
genética humana1990O Projeto Genoma Humano (HGP) começou. No momento de sua conclusão em 2003, os pesquisadores do HGP haviam determinado, armazenado e disponibilizado publicamente as sequências de quase todo o conteúdo genético do genoma humano .
Projeto HapMap internacional2002O Projeto HapMap Internacional , que foi projetado para identificar variações genéticas que contribuem para doenças humanas através do desenvolvimento de um haplótipo ( mapa do genótipo haplóide do genoma humano), teve início. Ao concluir a Fase II do projeto em 2007, os cientistas tinham dados sobre cerca de 3,1 milhões de variações no genoma humano.
cromossomos humanos2008O Genomas Projeto 1000 , uma colaboração internacional em que os investigadores destinada para sequenciar os genomas de um grande número de pessoas de diferentes grupos étnicos em todo o mundo com a intenção de criar um catálogo de variações genéticas, começou. O projeto foi concluído em 2015.

Áreas de estudo

Genética clássica

A genética clássica, que continua sendo a base para todas as outras áreas da genética, preocupa-se principalmente com o método pelo qual traços genéticos classificados como dominantes (sempre expressos), recessivos (subordinados a um traço dominante), intermediários (parcialmente expressos) ou poligênicos (devido a múltiplos genes) – são transmitidos em plantas e animais. Esses traços podem ser ligados por sexo (resultantes da ação de um gene sobre o sexo, ou X, cromossomo) ou autossômico (resultantes da ação de um gene sobre um cromossomo que não seja um cromossomo sexual). A genética clássica começou com o estudo de Mendel sobre herança em ervilhas de jardim e continua com os estudos de herança em muitas plantas e animais diferentes. Hoje em dia, uma das principais razões para realizar a genética clássica é a descoberta de genes – a descoberta e montagem de um conjunto de genes que afeta uma propriedade biológica de interesse.

Citogenética

A citogenética, o estudo microscópico dos cromossomos, mistura as habilidades dos citologistas, que estudam a estrutura e as atividades das células, com as dos geneticistas, que estudam os genes. Os citólogos descobriram cromossomos e a forma como eles se duplicam e separam durante a divisão celular aproximadamente ao mesmo tempo em que os geneticistas começaram a entender o comportamento dos genes no nível celular. A estreita correlação entre as duas disciplinas levou à sua combinação.

A citogenética vegetal logo se tornou uma importante subdivisão da citogenética porque, como regra geral, os cromossomos vegetais são maiores do que os dos animais. A citogenética animal tornou-se importante após o desenvolvimento da chamada técnica de squash, na qual células inteiras são prensadas em um pedaço de vidro e observadas através de um microscópio; os cromossomos humanos foram numerados usando esta técnica.

Hoje em dia, existem múltiplas maneiras de fixar rótulos moleculares a genes e cromossomos específicos, bem como a RNAs e proteínas específicas, que tornam essas moléculas facilmente discerníveis de outros componentes das células, facilitando assim muito a pesquisa citogenética.

Genética microbiana

Os microorganismos foram geralmente ignorados pelos geneticistas primitivos porque são pequenos em tamanho e se pensava que lhes faltavam características variáveis e a reprodução sexual necessária para uma mistura de genes de diferentes organismos. Depois que se descobriu que os microorganismos têm muitas características físicas e fisiológicas diferentes que são passíveis de estudo, eles se tornaram objetos de grande interesse para os geneticistas por causa de seu pequeno tamanho e pelo fato de se reproduzirem muito mais rapidamente do que organismos maiores. As bactérias tornaram-se importantes organismos modelo na análise genética, e muitas descobertas de interesse geral em genética surgiram a partir de seu estudo. A genética bacteriológica é o centro da tecnologia de clonagem.

Genômica

O desenvolvimento da tecnologia para sequenciar o DNA de genomas inteiros em uma base rotineira deu origem à disciplina da genômica, que hoje domina a pesquisa genética. A genômica é o estudo da estrutura, função e comparação evolutiva de genomas inteiros. A genômica tornou possível o estudo da função gênica em um nível mais amplo, revelando conjuntos de genes que interagem para se contrapor a alguma propriedade biológica de interesse para o pesquisador. A bioinformática é a disciplina baseada em computador que lida com a análise de conjuntos tão grandes de informações biológicas, especialmente porque se aplica às informações genômicas.

Genética da população

O estudo de genes em populações de animais, plantas e micróbios fornece informações sobre migrações passadas, relações evolutivas e extensões de mistura entre diferentes variedades e espécies, e métodos de adaptação ao meio ambiente. Métodos estatísticos são usados para analisar a distribuição dos genes e as variações cromossômicas nas populações.

A genética populacional é baseada na matemática das freqüências dos alelos e dos tipos genéticos nas populações. Por exemplo, a fórmula de Hardy-Weinberg, p2 + 2pq + q2 = 1, prevê a freqüência de indivíduos com os respectivos genótipos homozigotos dominantes (AA), heterozigotos (Aa) e homozigotos recessivos (aa) em uma população acasalada aleatoriamente. Seleção, mutação e mudanças aleatórias podem ser incorporadas em tais modelos matemáticos para explicar e prever o curso da mudança evolutiva a nível populacional. Estes métodos podem ser usados em alelos de efeito fenotípico conhecido, como o alelo recessivo para albinismo, ou em segmentos de DNA de qualquer tipo de função conhecida ou desconhecida.

Os geneticistas da população humana rastrearam as origens e as rotas de migração e invasão dos humanos modernos, o Homo sapiens. Comparações de DNA entre os povos atuais do planeta apontaram para uma origem africana do Homo sapiens. O rastreamento de formas específicas de genes permitiu aos geneticistas deduzir prováveis rotas de migração para fora da África para as áreas hoje colonizadas. Estudos similares mostram até que ponto as populações presentes foram misturadas por padrões recentes de viagem.

Comportamento genético

Outro aspecto da genética é o estudo da influência da hereditariedade no comportamento. Muitos aspectos do comportamento animal são determinados geneticamente e, portanto, podem ser tratados como semelhantes a outras propriedades biológicas. Este é o assunto material da genética do comportamento, cujo objetivo é determinar quais genes controlam vários aspectos do comportamento em animais. O comportamento humano é difícil de analisar devido aos poderosos efeitos de fatores ambientais, tais como a cultura. Poucos casos de determinação genética de comportamento humano complexo são conhecidos. Os estudos genômicos fornecem uma maneira útil de explorar os fatores genéticos envolvidos em características humanas complexas, tais como o comportamento.

Genética humana

Alguns geneticistas são especializados nos processos hereditários da genética humana. A maior parte da ênfase está na compreensão e no tratamento de doenças genéticas e de doenças que influenciam geneticamente a saúde, áreas conhecidas coletivamente como genética médica. Uma ampla área de atividade é a pesquisa laboratorial que lida com os mecanismos da função e mau funcionamento dos genes humanos e a investigação de tratamentos farmacêuticos e outros tipos de tratamentos. Como há um alto grau de conservação evolutiva entre organismos, a pesquisa sobre organismos modelo – como bactérias, fungos e moscas da fruta (Drosophila) – que são mais fáceis de estudar, muitas vezes fornece importantes insights sobre a função dos genes humanos.

Muitas doenças de um único gene, causadas por alelos mutantes de um único gene, foram descobertas. Duas doenças bem caracterizadas de um único gene incluem a fenilcetonúria (PKU) e a doença de Tay-Sachs. Outras doenças, como a doença cardíaca, esquizofrenia e depressão, são consideradas como tendo componentes hereditários mais complexos que envolvem uma série de genes diferentes. Estas doenças são o foco de uma grande quantidade de pesquisas que estão sendo realizadas atualmente.

Outra ampla área de atividade é a genética clínica, que se concentra em aconselhar os pais sobre a probabilidade de seus filhos serem afetados por doenças genéticas causadas por genes mutantes e estrutura e número cromossômico anormal. Tal aconselhamento genético é baseado no exame de registros médicos individuais e familiares e em procedimentos diagnósticos que podem detectar formas anormais não expressas de genes. O aconselhamento é realizado por médicos com um interesse particular nesta área ou por não-físicos especialmente treinados.

Métodos em Genética

Criação experimental

Geneticamente diversas linhas de organismos podem ser cruzadas de tal forma a produzir diferentes combinações de alelos em uma linha. Por exemplo, as linhas parentais são cruzadas, produzindo uma geração F1, que é então permitida a ser submetida ao acasalamento aleatório para produzir descendentes que tenham genótipos de reprodução pura (isto é, AA, bb, cc, ou DD). Este tipo de criação experimental é a origem de novas linhas de plantas e animais, que são uma parte importante da produção de estoques de laboratório para pesquisa básica. Quando aplicadas ao comércio, as linhas comerciais transgênicas produzidas experimentalmente são chamadas de organismos geneticamente modificados (OGM). Muitas das plantas e animais utilizados pelo homem atualmente (por exemplo, vacas, suínos, frangos, ovelhas, trigo, milho, batatas e arroz) foram criados desta forma.

Técnicas citogenéticas

A citogenética se concentra no exame microscópico dos componentes genéticos da célula, incluindo cromossomos, genes e produtos gênicos. As técnicas citogenéticas mais antigas envolvem a colocação de células em cera de parafina, o corte de seções finas e sua preparação para o estudo microscópico. A técnica mais recente e mais rápida de squash envolve o esmagamento de células inteiras e o estudo de seu conteúdo. São utilizados corantes que coram seletivamente várias partes da célula; os genes, por exemplo, podem ser localizados através da coloração seletiva do DNA do qual são compostos. As etiquetas radioativas e fluorescentes são valiosas para determinar a localização de vários genes e produtos gênicos na célula. Técnicas de cultura de tecidos podem ser usadas para cultivar células antes do esmagamento; glóbulos brancos podem ser cultivados a partir de amostras de sangue humano e estudados com a técnica do esmagamento. Uma aplicação principal da citogenética em humanos é no diagnóstico de complementos cromossômicos anormais como a síndrome de Down (causada por uma cópia extra do cromossomo 21) e a síndrome de Klinefelter (ocorrendo em homens com um cromossomo X extra). Alguns diagnósticos são pré-natais, realizados em amostras de células do líquido amniótico ou da placenta.

Técnicas bioquímicas

A bioquímica é realizada a nível celular ou subcelular, geralmente em extratos celulares. Os métodos bioquímicos são aplicados aos principais compostos químicos da genética – como DNA, RNA e proteínas. Técnicas bioquímicas são usadas para determinar as atividades dos genes dentro das células e para analisar substratos e produtos de reações controladas pelo gene. Em uma única abordagem, as células são fundidas e os produtos químicos substitutos são fracionados para análise posterior. Técnicas especiais (por exemplo, cromatografia e eletroforese) são usadas para separar os componentes das proteínas de modo que as diferenças herdadas em suas estruturas possam ser reveladas. Por exemplo, mais de 100 tipos diferentes de moléculas de hemoglobina humana foram identificadas. Os compostos radioativamente marcados são valiosos no estudo da bioquímica de células inteiras. Por exemplo, a timina é um composto encontrado apenas no DNA; se a timina radioativa for colocada em um meio de cultura de tecidos no qual as células estão crescendo, os genes a utilizam para se duplicar. Quando as células contendo timina radioativa são analisadas, os resultados mostram que, durante a duplicação, a molécula de DNA se divide ao meio, e cada metade sintetiza seus componentes ausentes.

Testes químicos são usados para distinguir certas condições hereditárias de humanos; por exemplo, análises de urinálise e sangue revelam a presença de certas anormalidades hereditárias – fenilcetonúria (PKU), cistinúria, alcaptonúria, gota e galactosemia. A Genomics forneceu uma bateria de testes diagnósticos que podem ser realizados no DNA de um indivíduo. Alguns desses testes podem ser aplicados a fetos in utero.

Técnicas fisiológicas

As técnicas fisiológicas, dirigidas à exploração de propriedades funcionais ou organismos, também são utilizadas em investigações genéticas. Nos microorganismos, a maioria das variações genéticas envolve algumas funções celulares importantes. Algumas cepas de uma bactéria (Escherichia coli), por exemplo, são capazes de sintetizar a vitamina thiamina a partir de compostos simples; outras, que não possuem uma enzima necessária para esta síntese, não podem sobreviver a menos que a thiamina já esteja presente. As duas cepas podem ser distinguidas colocando-as em uma mistura livre de thiamina: as que crescem têm o gene para a enzima, as que não crescem não têm. A técnica também é aplicada às células humanas, uma vez que muitas anormalidades humanas herdadas são causadas por um gene defeituoso que não produz uma enzima vital; o albinismo, que resulta de uma incapacidade de produzir o pigmento melanina na pele, cabelo ou íris dos olhos, é um exemplo de deficiência da enzima no homem.

Técnicas moleculares

Embora se sobreponham às técnicas bioquímicas, as técnicas de genética molecular estão profundamente envolvidas com o estudo direto do DNA. Este campo foi revolucionado com a invenção da tecnologia do DNA recombinante. O DNA de qualquer gene de interesse de um organismo doador (como um humano) pode ser cortado de um cromossomo e inserido em um vetor para fazer DNA recombinante, que pode então ser amplificado e manipulado, estudado ou usado para modificar os genomas de outros organismos por transgênese. Um passo fundamental na tecnologia do DNA recombinante é a amplificação. Isto é realizado pela inserção da molécula de DNA recombinante em uma célula bacteriana, que se reproduz e produz muitas cópias do genoma bacteriano e da molécula de DNA recombinante (que constitui um clone de DNA). Uma coleção de grandes números de clones de moléculas de DNA recombinante doador é chamada de biblioteca genômica. Tais bibliotecas são o ponto de partida para seqüenciar genomas inteiros, como o genoma humano. Hoje os genomas podem ser escaneados em busca de pequenas variantes moleculares chamadas polimorfismos de nucleotídeos únicos, ou SNPs (“snips”), que atuam como tags cromossômicos para regiões específicas associadas de DNA que têm uma propriedade de interesse e podem estar envolvidas em uma doença ou desordem humana.

DNA recombinante
Passos envolvidos na engenharia de uma molécula de DNA recombinante.
Encyclopædia Britannica, Inc.

Técnicas imunológicas

Muitas substâncias (por exemplo, proteínas) são antigênicas; isto é, quando introduzidas em um corpo vertebrado, elas estimulam a produção de proteínas específicas chamadas anticorpos. Existem vários antígenos nos glóbulos vermelhos, incluindo aqueles que compõem os principais grupos sanguíneos do homem (A, B, AB, O). Estes e outros antígenos são determinados geneticamente; seu estudo constitui imunogenética. Os antígenos sanguíneos do homem incluem variações herdadas, e a combinação particular de antígenos em um indivíduo é quase tão única quanto as impressões digitais e tem sido usada em áreas como testes de paternidade (embora esta abordagem tenha sido amplamente suplantada por técnicas baseadas em DNA).

Técnicas imunológicas são usadas em determinações de grupos sanguíneos em transfusões de sangue, em transplantes de órgãos e na determinação da incompatibilidade de Rhesus no parto. Antígenos específicos dos genes do antígeno leucócito humano (HLA) estão correlacionados com doenças humanas e predisposições de doenças. Os anticorpos também têm uma base genética, e sua capacidade aparentemente infinita de combinar qualquer antígeno apresentado é baseada em tipos especiais de processos de embaralhamento de DNA entre os genes de anticorpos. A imunologia também é útil na identificação de clones de DNA recombinantes específicos que sintetizam uma proteína específica de interesse.

Técnicas matemáticas

Como grande parte da genética se baseia em dados quantitativos, as técnicas matemáticas são usadas extensivamente em genética. As leis de probabilidade são aplicáveis aos cruzamentos e são usadas para prever as freqüências de constituições genéticas específicas na descendência. Os geneticistas também utilizam métodos estatísticos para determinar a significância dos desvios dos resultados esperados nas análises experimentais. Além disso, a genética populacional é baseada em grande parte na lógica matemática – por exemplo, o equilíbrio de Hardy-Weinberg e seus derivados (ver acima).

A bioinformática usa técnicas estatísticas centradas em computador para lidar e analisar as vastas quantidades de informação acumuladas a partir de projetos de seqüenciamento genômico. O programa de computador escaneia o DNA procurando genes, determinando sua função provável com base em outros genes similares e comparando diferentes moléculas de DNA para análise evolutiva. A bioinformática tornou possível a disciplina da biologia de sistemas, tratando e analisando os genes e produtos gênicos das células como um sistema completo e integrado.

Genética Aplicada

Medicina

As técnicas genéticas são utilizadas na medicina para diagnosticar e tratar os distúrbios humanos herdados. O conhecimento de um histórico familiar de condições como câncer ou várias desordens pode indicar uma tendência hereditária para desenvolver essas aflições. As células dos tecidos embrionários revelam certas anormalidades genéticas, incluindo deficiências enzimáticas, que podem estar presentes em recém-nascidos, permitindo assim um tratamento precoce. Muitos países exigem um exame de sangue de recém-nascidos para determinar a presença de uma enzima necessária para converter um aminoácido, a fenilalanina, em produtos mais simples. A fenilcetonúria (PKU), que resulta da falta da enzima, causa danos permanentes ao cérebro se não for tratada logo após o nascimento. Muitos tipos diferentes de doenças genéticas humanas podem ser detectadas em embriões com até 12 semanas; o procedimento envolve a remoção e teste de uma pequena quantidade de líquido em torno do embrião (chamado amniocentese) ou de tecido da placenta (chamado amostragem de vilosidades coriônicas).

A terapia genética é baseada na modificação de genótipos defeituosos através da adição de genes funcionais feitos através da tecnologia do DNA recombinante. A bioinformática está sendo usada para “minerar” o genoma humano para produtos genéticos que possam ser candidatos a drogas farmacêuticas de design.

Agricultura e zootecnia

A agricultura e a criação de animais aplicam técnicas genéticas para melhorar plantas e animais. A análise da reprodução e a modificação transgênica utilizando técnicas de DNA recombinante são rotineiramente utilizadas. Os criadores de animais utilizam a inseminação artificial para propagar os genes dos touros premiados. As vacas premiadas podem transmitir seus genes a centenas de descendentes através de tratamento hormonal, o que estimula a liberação de muitos óvulos que são coletados, fertilizados e transplantados para fomentar as mães. Vários tipos de mamíferos podem ser clonados, o que significa que várias cópias idênticas podem ser produzidas de certos tipos desejáveis.

Dolly, a ovelha; clonagem
A ovelha Dolly foi clonada com sucesso em 1996, fundindo o núcleo de uma célula de mamífero de uma ovelha Finn Dorset em uma célula de ovo enucleada retirada de uma ovelha escocesa Blackface. Levada ao termo no útero de outra ovelha Blackface escocesa, Dolly era uma cópia genética da ovelha Finn Dorset.
Encyclopædia Britannica, Inc.

Os geneticistas vegetais utilizam técnicas especiais para produzir novas espécies, tais como grãos híbridos (isto é, produzidos pelo cruzamento de trigo e centeio), e plantas resistentes à destruição por pragas de insetos e fungos.

Os geneticistas de plantas utilizam as técnicas de brotação e enxertia para manter as combinações genéticas desejáveis obtidas originalmente dos cruzamentos. As células de plantas transgênicas podem ser transformadas em plantas através do cultivo das células em hormônios especiais. O uso do composto químico colchicina, que faz com que os cromossomos dupliquem em número, resultou em muitas novas variedades de frutas, vegetais e flores. Muitas linhas transgênicas de plantas cultivadas são comercialmente vantajosas e estão sendo introduzidas no mercado.

Indústria

Várias indústrias empregam geneticistas; a indústria cervejeira, por exemplo, pode usar geneticistas para melhorar as cepas de leveduras que produzem álcool. A indústria farmacêutica desenvolveu cepas de bolores, bactérias e outros microorganismos com alto teor de antibióticos. Penicilina e ciclosporina de fungos, e estreptomicina e ampicilina de bactérias, são alguns exemplos.

A biotecnologia, baseada na tecnologia do DNA recombinante, é agora amplamente utilizada na indústria. Linhas “Designer” de bactérias transgênicas, animais ou plantas capazes de fabricar algum produto comercial são feitas e usadas rotineiramente. Tais produtos incluem drogas farmacêuticas e produtos químicos industriais, como o ácido cítrico.

Referências

Genetics
https://www.britannica.com/science/genetics/Applied-genetics

Veja também

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