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DISCIPLINA: GENÉTICA UNIDADE 2: PADRÕES DE HERANÇA Nome da Professora: Dra Leide de Almeida Praxedes Nome da Disciplina: Genética São Paulo – 2018. Guia de Estudos Unidade 2: Padrões de Herança Faculdade Campos Elíseos (FCE) SUMÁRIO 1 - Introdução 2 - Genética e Probabilidades 3 - Padrão de Herança Autossômico Dominante 4 - Padrão de Herança Autossômico Recessivo 5 - Padrão de Herança Ligada ao X 5.1 - Padrão de Herança Ligado ao X Recessivo 5.2 - Padrão de Herança Ligado ao X Dominante 6 - Material Complementar 7 - Bibliografia UNIDADE 2 – PADRÕES DE HERANÇA 1 - Introdução As sete características de ervilha selecionadas por Mendel são exemplos do tipo de caráter denominada monogênico. A análise da herança de fenótipos de outras espécies, tanto vegetais como animais, revela que o mecanismo de herança monogênica é universal entre todos os seres vivos. Dentre os organismos com reprodução sexuada, é comum a existência de indivíduos masculinos e femininos. Na maioria dos casos, o sexo é determinado por um par de cromossomos especiais que são diferentes de acordo com o sexo do indivíduo, denominados cromossomos sexuais, os demais cromossomos que existem da mesma forma, tamanho e número independente do sexo são chamados de autossomos. Nas células que formam o corpo do indivíduo são chamadas de células somáticas, por exemplo, em humanos estas células possuem 23 pares de cromossomos, totalizando 46 cromossomos, dos quais 22 pares são autossômicos, sem diferença na composição entre homens e mulheres e apenas um par é sexual. Os cromossomos sexuais na espécie humana são identificados pelas letras X e Y. Nas mulheres, o par sexual é composto por dois cromossomos X, ao passo que nos homens é composto por um cromossomo X e um cromossomo Y (figura 1). Durante a formação dos gametas, na meiose, ocorre a segregação, separação do par sexual, de modo que haverá apenas um representante desse par em cada gameta. No caso das mulheres que só possui cromossomos sexuais X seus gametas serão iguais, determinando o sexo homogamético (homo = igual), já os homens formam metade dos gametas com o cromossomo X e a outra metade com o cromossomo Y, sendo o sexo heterogamético (hetero = diferente), assim, os gametas masculinos na espécie humana é que define o sexo do indivíduo. Os genes que se localizam nos cromossomos autossômicos ocorrem em homens e mulheres nas mesmas proporções, a herança considerada até agora, com o uso da análise de Mendel, se refere a genes autossômicos. Por outro lado, os genes que apresentam ligação aos cromossomos sexuais se manifestarão em proporções fenotípicas diferentes entre homens e mulheres, constituindo um mecanismo de herança não previsto por Mendel. Figura 1 - Representação dos cariogramas a) feminino e b) masculino, sendo os pares de cromossomos de 1-22 são os autossomos, X e o Y representam os cromossomos sexuais. Fonte: Klug et al., 2010. Diferentemente de outros organismos, em que é possível planejar cuidadosamente cruzamentos específicos para a realização de análises genéticas, nos humanos os geneticistas devem recorrer a registros de reprodução efetuados a partir do levantamento cuidadoso do histórico familiar. E uma das maneiras é representar as famílias por símbolos formando os heredogramas ou genealogias (figura 2). Em muitas situações, a partir da análise de um heredograma é possível deduzir se um distúrbio genético apresenta padrão de herança autossômico ou ligado ao X, dominante ou recessivo. Figura 2 - Símbolos representados na montagem de heredogramas humanos. Fonte: Griffiths et al., 2017. Os mecanismos de herança monogênicos humanos podem ser subdivididos em tipos ou padrões distintos que estão sumarizados no quadro a seguir: Critério Tipos de padrão Padrões combinados Categoria do cromossomo em que se encontra o gene • Autossômico • Ligado ao X • Autossômico dominante • Autossômico recessivo • Dominante ligado ao X • Recessivo ligado ao X Relação entre os alelos • Dominante • Recessivo Na figura 3 há a correlação de algumas doenças humanas e seus respectivos padrões de herança e genes localizados nos 23 pares de cromossomos. Figura 3 – Representação da correlação de alguns alelos mutados que causam doenças humanas, mostradas nos 23 pares de cromossomos. Cada cromossomo apresenta um padrão de bandas característico. X e Y são os cromossomos sexuais (XX em mulheres e XY em homens). Os genes associados a cada doença estão demonstrados em parênteses. Fonte: Griffiths et al., 2017. 2 - Genética e Probabilidades A genética mendeliana possui uma base lógico-matemática muito bem fundamentada e um dos métodos mais empregados para facilitar a obtenção de estimativas é denominado quadrado de Punnett como representado na figura 4. Figura 4 - Quadrado de Punnett utilizado para deduzir as possíveis combinações entre gametas e suas probabilidades de ocorrência. No quadrado de Punnett é possível realizar as combinações entre gametas masculinos e femininos em um cruzamento. Tais possibilidades têm igual chance de ocorrer, já que as combinações ocorrem inteiramente ao acaso. No exemplo acima, percebemos que, das quatro combinações gaméticas possíveis, as proporções de cada genótipo resultante são ¼ AA, 2/4 Aa e ¼ aa. Estas proporções podem ser convertidas em probabilidades. 𝑃𝑃𝐴𝐴𝐴𝐴 = 1 4 = 0,25, o equivalente em porcentagem seria: 𝑃𝑃𝐴𝐴𝐴𝐴 = 0,25 × 100% = 25% Quando lidamos com probabilidades, há o que os estatísticos chamam de probabilidade composta, obtida por operação matemática efetuada entre probabilidades de ocorrência de dois ou mais eventos. Nestes casos, existem duas regras a serem aplicadas: • Regra do produto ou regra do "e" Nesse caso, consideramos a ocorrência simultânea de dois ou mais eventos, por exemplo, qual seria a probabilidade de nascer uma criança com genótipo AA e do sexo masculino de um cruzamento entre dois indivíduos Aa? Para efetuar esta operação, temos que trabalhar com a multiplicação dos dados de probabilidade na forma fracionária ou de proporções. A probabilidade de que a criança nasça com genótipo AA é ¼, como foi demonstrado na figura 3, enquanto a probabilidade de que ela nasça do sexo masculino é ½. Logo, a probabilidade composta que estamos procurando seria obtida pela seguinte multiplicação: 𝑃𝑃(𝐴𝐴𝐴𝐴 𝑒𝑒 ♂) = 𝑃𝑃𝐴𝐴𝐴𝐴 × 𝑃𝑃♂ = 1 4 × 1 2 = 1 8 • Regra da soma ou regra do "ou" No caso da regra da soma, consideramos a probabilidade composta de ocorrência de dois eventos mutuamente exclusivos, ou seja, se um ocorrer certamente o outro não ocorrerá, por exemplo, se, no caso do cruzamento mencionado na figura 3, quiséssemos saber a chance de que venha a nascer uma criança de genótipo AA ou aa, teríamos que somar as probabilidades individuais de cada um desses eventos. Sabendo que a chance de nascimento do genótipo AA é ¼ e a do genótipo aa é igualmente ¼, a chance de nascer um desses genótipos ou o outro seria: 𝑃𝑃(𝐴𝐴𝐴𝐴 𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑎𝑎𝑎𝑎) = 𝑃𝑃𝐴𝐴𝐴𝐴 + 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎 = 1 4 + 1 4 = 2 4 = 1 2 3 - Padrão de Herança Autossômico Dominante No padrão de herança autossômico dominante o alelo mutante, responsável pela manifestação da anomalia, é dominante sobre o alelo que define a condição normal, portanto se estiver em dose simples ou dupla determina a manifestação da anomalia. Durante a formação dos gametas, os alelos que constituem cada genótipo irão se separar, como previsto pela primeira lei de Mendel. Sendo assim, em muitos casos é possível estimar as probabilidades de manifestação dos fenótipos normal e afetado. Por exemplo, do casamento entre uma pessoa afetada heterozigota (Aa) e uma pessoa normal (aa) há umachance de 50% de nascer um descendente afetado, já em casais onde ambos são heterozigotos e possuem a anomalia, os riscos sobem para 75%, como demonstrado na figura 5: Figura 5 - No quadro à esquerda está representado os genótipos e fenótipos relacionados ao padrão de herança autossômico dominante. À direita estão representados dois tipos de casamentos, no primeiro caso um portador heterozigoto casado com uma mulher normal e no segundo caso o casamento de dois portadores heterozigotos, e os respectivos riscos de terem filhos(as) com o mesmo comprometimento. Em uma família que se constate a presença de uma anomalia autossômica dominante, é frequente se observar a repetição do fenótipo ao longo de várias gerações, neste caso, costuma-se dizer que o fenótipo “não salta” geração. De acordo com estas considerações, podemos caracterizar o padrão de herança autossômico dominante em um heredograma da seguinte forma (figura 6): • O distúrbio não salta geração. • Um afetado tem pelo menos um dos genitores igualmente afetado. • Não há desproporção sexual no número de afetados. • Casal normal tem filhos normais. Existem diversos distúrbios genéticos humanos que seguem esse padrão de herança. Podemos citar como exemplo: • Neurofibromatose tipo 1: caracteriza-se por mais de seis manchas marrons pelo corpo e após a puberdade o crescimento de tumores benignos ao longo dos nervos. • Acondroplasia e pseudoacondroplasia: forma de nanismo provocado pela deficiência de crescimento dos ossos longos e comprometimentos na coluna (figura 6). • Polidactilia: determinado por indivíduos que apresentam mais de cinco dedos nas mãos e/ou nos pés de forma isolada, sem outros comprometimentos. Figura 6 - À esquerda há um heredograma representando três gerações (I, II e III) de uma família com casos de anomalia autossômica dominante (indivíduos I1, II4, II6, III5, III7, III11 e III13). À direita há uma foto de uma família portadora de pseudoacondroplasia, anomalia de padrão de herança autossômico dominante. Fonte: Griffiths et al., 2017. Existem dois fenômenos genéticos que fazem com que a herança autossômica dominante se apresente nos heredogramas de um modo diferente daquele que caracteriza o padrão típico citado acima: mutações novas e penetrância incompleta. • Mutações novas Pode ocorrer mutação no DNA de um determinado loco, durante a meiose, na formação dos gametas, não estando presente nos genitores, como essa mutação não foi herdada dos genitores, ela é denominada mutação nova, por ter ocorrido pela primeira vez na família. Se o gameta com a mutação participar da fecundação, o descendente irá manifestar um distúrbio genético, mesmo que seus genitores sejam normais. Nesse caso, é possível nascer um descendente com distúrbio genético autossômico dominante a partir de um casal de genitores normais. No nanismo acondroplásico a taxa de mutação nova é de 1/10.000, ou seja, a cada 10.000 gestações de casais normais um será acondroplásico; e considerando todos os indivíduos acondroplásicos 80% nascem de pais normais. • Penetrância incompleta Diz-se que um alelo dominante apresenta penetrância incompleta quando ele não se expressa em 100% dos indivíduos que o herdam (figura 7). Por exemplo, no retinoblastoma o indivíduo herda um alelo mutado, mas o câncer de retina só vai se desenvolver se houver uma segunda mutação envolvendo o alelo normal, e a chance desta segunda mutação ocorrer é de 90%, portanto dizemos que a doença se expressa em 90% de seus portadores, sua penetrância será incompleta e igual a 90%. Esta mutação é autossômica dominante, pois pode ser herdada por um indivíduo que mesmo não a manifestando, transmiti a 50% dos seus descendentes independente do sexo. Nesse descendente, a chance do fenótipo, no exemplo o câncer de retina, se expressar é de 90%, podendo saltar gerações fugindo do padrão tipicamente autossômico dominante. Figura 7 – À esquerda está representado um heredograma de uma família em que existem afetados por um distúrbio autossômico dominante com penetrância incompleta ou reduzida. Nesse caso, os indivíduos II-4 e II-7 herdaram o alelo mutante de seu pai I-1, mas não o manifestaram. Esse mesmo alelo foi repassado a seus descendentes III-3, III-6 e III-10, que manifestaram o distúrbio. À direita é a foto de uma menina com retinoblastoma. Pode ser observado um reflexo branco no olho afetado, quando a luz reflete diretamente da superfície do tumor. Fonte: Borges-Osório & Robinson, 2013. 4 - Padrão de Herança Autossômico Recessivo Na herança autossômica recessiva o alelo mutante só se manifesta se estiver em dose dupla. Considerando um casal normal que já possua um filho com anomalia autossômica recessiva, concluímos que os pais são heterozigotos e a chance de um próximo filho ou filha nasça com a mesma anomalia é de 25%, como demonstrado na figura 8: Figura 8 - No quadro à esquerda está representado os genótipos e fenótipos relacionados ao padrão de herança autossômico recessivo. À direita está representado um casal normal heterozigoto, que já possui um filho com o comprometimento e o risco de 25% de terem outros filhos(as) com a mesma anomalia. Neste caso para se manifestar a doença é necessário que o alelo mutado esteja em homozigose, portanto ele pode passar despercebido ao longo de várias gerações de uma mesma família, saltar gerações, mas quando duas pessoas heterozigotas se casam, torna-se possível ocorrer a homozigose do alelo mutante, determinando o nascimento de uma criança com distúrbio genético recessivo. Vários estudos demonstraram que todas as pessoas da população mundial apresentam pelo menos oito destes alelos mutantes recessivos em dose simples, portanto que não se manifestam, mas se houver casamentos consanguíneos, entre parentes, pode favorecer o encontro entre os mesmos tipos de alelos recessivos mutantes, denominando homozigose por origem comum. Para compreender melhor este fenômeno observe o heredograma da figura 9. No heredograma da figura 9, a origem dos dois alelos recessivos que provocaram o distúrbio genético nos indivíduos afetados (IV-2 e IV-4) se originou de um dos ancestrais da família (I-1), primeira geração representada no heredograma. Este alelo foi sendo passado adiante para os descendentes desse indivíduo, mas não havia se manifestado ainda pelo fato de estar em dose simples e ser recessivo. Quando dois desses parentes resolvem se casar, como observado na geração III, a chance de eles carregarem a mesma mutação recessiva deletéria é maior do que se o casamento fosse entre duas pessoas não aparentadas. Logo, dizemos que ambos os alelos “a” encontrados no casal consanguíneo da geração III possuem origem comum, ou seja, nos indivíduos afetados da geração IV ocorreu homozigose por origem comum. Figura 9 - Na figura à esquerda está representado um heredograma de uma família que possui 2 afetados por um distúrbio autossômico recessivo. O heredograma mostra que nas gerações I, II e III não houve manifestação da anomalia, pois os indivíduos só herdaram um alelo mutado, e apenas na geração IV, em dois indivíduos (IV-2 e IV-4), houve a manifestação da doença por terem herdado dois alelos mutados (em vermelho), neste caso de origem comum do indivíduo 1 da primeira geração (I-1). Na figura à direita tem uma foto de um albino de uma tribo africana, o albinismo é um exemplo de anomalia autossômica recessiva. Fonte: Griffiths et al., 2017. O padrão de herança autossômico recessivo pode se caracterizar da seguinte forma: • O fenótipo salta gerações: afetados podem nascer de genitores normais, pais normais filhos afetados, os pais são heterozigotos e os filhos afetados homozigotos recessivos. • O fenótipo tem chance aumentada de se manifestar na prole de casais consanguíneos. • Não há desproporção entre o número de homens ede mulheres afetados. • Casais normais que já tiveram uma criança afetada por um distúrbio autossômico recessivo, são heterozigotos e nestes casos, a chance de recorrência, ou seja, de haver novos casos da mesma doença na futura prole deste mesmo casal é de 25%. Como exemplos de distúrbio autossômico recessivo, podemos citar: • Albinismo: anomalia genética caracterizada pela incapacidade de fabricar melanina. Como consequência, os afetados possuem olhos, pele e pelos totalmente despigmentados, promovendo uma perda visual significativa e aumentando as chances de câncer de pele (figura 7). • Fenilcetonúria (PKU): os portadores deste comprometimento não sintetizam, ou produzem pouca quantidade de uma enzima que transforma o excesso do aminoácido essencial fenilalanina em tirosina, portanto os afetados acumulam esse aminoácido e seus produtos tóxicos no corpo, promovendo diversos comprometimentos inclusive deficiência intelectual. Mas a manifestação desta patologia pode ser evitada com uma dieta rigorosa com pouca ingestão de fenilalanina de forma controlada, desde os primeiros meses de vida da criança, evitando seu excesso no organismo. Portanto, para que não tenha comprometimentos intelectuais a identificação de crianças fenilcetonúricas é muito importante e ocorre através do famoso “teste do pezinho”, ou seja, triagem neonatal. • Fibrose cística: nesta anomalia há alterações nas proteínas de transporte de íons, promovendo a formação de secreções muito espessas comprometendo diversos sistemas principalmente o digestório e o respiratório, favorecendo a ocorrência repetida de infecções que podem levar o afetado à morte prematura. Esta doença também é identificada na triagem neonatal. 5 – Padrão de Herança Ligada ao X O cromossomo X apresenta-se na espécie humana em quantidade diferente em mulheres e homens: as mulheres têm dois cromossomos X, ao passo que os homens possuem apenas um. Uma pequena parte do cromossomo X possui alelos correspondentes ao cromossomo Y e a maior parte não tem correspondente, portanto, as mulheres apresentam dose dupla dos mesmos, enquanto nos homens tais alelos serão encontrados em dose simples, o que os caracteriza como hemizigotos para os genes presentes no cromossomo X sem correspondentes no Y. Algumas doenças genéticas são determinadas por alelos mutantes recessivos ou dominantes ligados ao X. 5.1 - Padrão de Herança Ligado ao X Recessivo Neste padrão de herança a representação dos alelos se faz da seguinte forma: XH (alelo dominante localizado no cromossomo X) e Xh (alelo recessivo localizado no cromossomo X). Para uma mulher ser afetada, é necessário que ela receba um alelo Xh do pai e o outro da mãe, ao passo que um homem será afetado apenas ao receber o Xh com o alelo mutante de sua mãe, pois ele herdará o cromossomo Y do pai e não o X. Portanto, uma mulher normal portadora, ou seja, normal heterozigota (XHXh), tem chance de 50% de transmitir o alelo Xh para seus filhos do sexo masculino que apresentarão a anomalia determinada por aquele alelo mutante, como demonstrado na figura 10. O padrão de herança recessivo ligado ao X pode ser definido como (figura 11): • Praticamente apenas homens são afetados por este tipo de distúrbio, pois é necessário apenas um alelo mutante para que a doença se manifeste. • Os homens afetados herdam o alelo mutante de mães provavelmente normais portadoras • Homens afetados não passam a mutação para os descendentes masculinos. Por outro lado, estes homens passam a mutação para todas as filhas, as quais serão normais portadoras. Figura 10 - No quadro à esquerda está representado os genótipos e fenótipos relacionados ao padrão de herança ligado ao X recessivo. À direita está representado um casal normal que já possui um filho com o comprometimento e o risco de 25% de terem outros filhos(as) com a mesma anomalia. Figura 11 – À direita está representado um heredograma com pessoas afetadas por distúrbio ligado ao X recessivo, o indivíduo II–2 é afetado, logo, sua filha III-2, apesar de ser normal, herda um alelo mutado do pai e o transmite para seu filho IV-1. À direita há um teste para daltonismo, um indivíduo com visão normal para cores vê̂ o número 74; o indivíduo com o tipo mais típico de daltonismo lê 21, e um indivíduo com daltonismo severo não pode distinguir qualquer número. Fonte: Sadava et al., 2010. Podemos citar como exemplos de distúrbios recessivos ligados ao X: • Hemofilia: distúrbio causado pela deficiência do fator VIII (hemofilia A) ou fator IX (hemofilia B), comprometendo a coagulação sanguínea e levando a hemorragias em diversas partes do corpo. • Daltonismo: o indivíduo tem comprometimento nos receptores para a cor vermelha ou para cor verde, ambos são causados por mutações no cromossomo X, mas em genes diferentes (figura 11). • Distrofia muscular de Duchenne: doença resultante da degeneração muscular progressiva, iniciando a morte das fibras musculares nos membros inferiores e progredindo para os membros superiores, até comprometer os músculos relacionados ao sistema respiratórios e cardiovascular, levando o indivíduo à morte por volta dos 20 anos de idade. 5.2 – Padrão de Herança Ligado ao X Dominante No caso da herança dominante ligada ao X, a mutação que determina a manifestação do distúrbio genético é dominante. Assim, se considerarmos o gene R ligado ao cromossomo X, teríamos os seguintes genótipos e fenótipos: Sexo Genótipo Fenótipo Feminino XRXR Afetada XRXr Afetada XrXr Normal Masculino XRY Afetado XrY Normal O padrão de herança dominante ligado ao X se caracteriza da seguinte forma (figura 12): • Mulheres afetadas podem ter descendentes afetados de ambos os sexos. • Todas as mulheres filhas de um homem afetado serão também afetadas. Isso se explica pelo fato de que o cromossomo X paterno, que, no caso, carrega uma mutação dominante, é herdado por todos os descendentes do sexo feminino. São distúrbios genéticos dominantes ligados ao X: • Raquitismo hipofosfatêmico: causa deformações ósseas devido a falhas na incorporação de fosfato, comprometendo a formação dos ossos, que se tornam frágeis e sujeitos a deformação. • Síndrome de Rett: Distúrbio que se caracteriza por provocar danos à neuropsicomotricidade, neste caso só existe mulheres comprometidas por mutações novas, pois é letal em indivíduos XHXH e XHY. Figura 12 - Heredograma de uma família com indivíduos afetados por distúrbio ligado ao X dominante, o homem afetado da primeira geração transmite o alelo mutado a todas suas filhas que transmite a 50% de seus filhos de ambos os sexos. Fonte: Griffiths et al., 2017. 6 - Material Complementar Alguns temas interessantes e importantes a serem aprofundados são: A triagem neonatal ou “teste do pezinho”, que é um conjunto de ações preventivas, responsável por identificar precocemente indivíduos com doenças metabólicas e genéticas para que estes possam ser tratados em tempo oportuno, evitando comprometimentos graves e até mesmo a morte. Além disso, propõe o gerenciamento dos casos positivos por meio de monitoramento e acompanhamento da criança durante o processo de tratamento. Saiba mais em: <http://bvsms.saude.gov.br/bvs/publicacoes/triagem_neonatal_biologica_man ual_tecnico.pdf> Projeto Genoma Humano (PGH) e suas implicações que está disponível em: http://genoma.ib.usp.br/sites/default/files/projeto-genoma-humano.pdf Os aspectos éticos do serviço de Aconselhamento Genético que é oferecido a famílias sob risco de doenças genéticas, este tema é discutido no seguinte livro: Zatz, M. Genética: escolhas que nossos avós não faziam. São Paulo: Globo, 2011. http://genoma.ib.usp.br/sites/default/files/projeto-genoma-humano.pdf 7 – Bibliografia Borges-Osório MR, Robinson WM. GenéticaHumana. 3 ed. Porto Alegre: Artmed, 2013. Griffiths AF, Wessler SR, Carroll SB, Doebley J. Introdução à Genética. 11ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2017. Klug WS, et al.. Conceitos de Genética. 9 ed. Porto Alegre: Artmed, 2010. Nussbaum R, et al.. Thompson & Thompson Genética Médica. 8 d. Rio de Janeiro: Elsevier, 2016. Otto PA, Mingroni-Netto RC, Otto PG. Genética Médica. Rio de Janeiro: Roca, 2013. Read R, Donnai D. Genética Clínica: uma nova abordagem. Porto Alegre: Artmed, 2008. Reece JB, et al.. Biologia de Campbell. 10ed. Porto Alegre: Artmed, 2015. Sadava, et al.. Vida: a ciência da biologia. 8ed. Porto Alegre: Artmed, 2009. v. 1. Célula e hereditariedade. Schaefer GB, Thompson Jr JN. Genética Médica: uma abordagem integrada. Porto Alegre: AMGH, 2015. Snustad DP, Simmons MJ. Fundamentos de Genética. 7ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2017. javascript:nova_pesquisa(%22MingroniNetto,%20Regina%20C%C3%A9lia%22,%22%22,700); javascript:nova_pesquisa(%22Otto,%20Priscila%20Guimar%C3%A3es%22,%22%22,700);