Genética mendeliana

A genética mendeliana, herança mendeliana, herança monogenética, ou mendelismo é uma teoria que explica como as características genéticas são herdadas dos pais para os filhos. A teoria está baseada nos trabalhos realizados por Gregor Johann Mendel publicados em 1865 e 1866, que foram redescobertos em 1900, e resumidos nas leis de Mendel. Inicialmente a teoria era controversa, mas ganhou aceitação quando foi integrada na teoria cromossómica da hereditariedade de Thomas Hunt Morgan em 1915, e hoje constitui a base da genética clássica.

Historia

Gregor Mendel.

As leis da herança derivam dos trabalhos de Gregor Mendel, um monge agostiniano que viveu no Império Austro-Húngaro no Século XIX, que realizou experimentos de hibridação com diferentes raças de ervilhas de jardim (Pisum sativum).^[1] Entre 1856 e 1863, cultivou e testou cerca de 29.000 plantas de ervilha. Destes experimentos deduziu duas generalizações, que mais tarde se conheceriam como princípios da herança de Mendel ou leis de Mendel. Mendel descreveu estes princípios num artigo que tinha duas partes, intitulado Experimentos sobre a hibridização de plantas, que leu na Sociedade de História Natural de Brno (hoje na República Checa) em 1865, e que foram publicados em 1866.^[2]

As conclusões de Mendel não tiveram muita repercussão na comunidade científica e foram ignoradas durante muito tempo. Embora não fossem completamente desconhecidas pelos biólogos do seu tempo, não parecia que fossem aplicáveis de forma generalizada, e mesmo o próprio Mendel pensava que só se aplicavam a certos tipos de espécies ou carateres. O principal obstáculo para compreender a sua importância foi a relevância que se dava no século XIX à aparente mistura dos carateres herdados que se tinha comprovado em certos casos (carateres quantitativos), que agora sabemos que se deve a interações poligénicas, em comparação com os carateres binários específicos de um órgão que Mendel estudou.^[1] Contudo, em 1900, o seu trabalho foi "redescoberto" pelos cientistas, Hugo de Vries, Carl Correns, e Erich von Tschermak. A natureza exata deste "redescobrimento" foi debatida: De Vries publicou primeiro sobre este assunto, mencionando Mendel numa nota de rodapé, e Correns indicou a prioridade de Mendel depois de ler a publicação de De Vries. Pode ser que De Vries não reconhecesse verdadeiramente quanto dos seus conhecimentos sobre as leis vinha do seu próprio trabalho e quanto vinha da leitura dos artigos de Mendel. Alguns estudiosos posteriores acusaram Von Tschermak de não ter compreendido os resultados de todo.^[1]

De qualquer modo, o "redescobrimento" converteu o Mendelismo numa teoria importante mas controversa. O seu promotor mais vigoroso na Europa foi William Bateson, que cunhou os termos "genética", "gene" e "alelo" para descrever muitos dos seus princípios. O modelo da herança foi muito contestado por outros biólogos porque implicava que a herança era descontínua, em oposição à variação aparentemente contínua observável em muitos carateres. Muitos biólogos também rejeitavam a teoria porque não estavam certos de que se pudesse aplicar a todas as espécies. Contudo, os trabalhos posteriores de biólogos e estatísticos como R. A. Fisher mostraram que, no caso de estarem envolvidos muitos fatores mendelianos na expressão de um só carater, podia produzir-se toda a diversidade de resultados observados. Posteriormente Thomas Hunt Morgan e os seus colaboradores integraram o modelo teórico de Mendel na teoria cromossómica da herança, na qual os cromossomas levavam o material genético, e criaram o que se conhece como genética clássica, que teve um êxito extraordinário e deu a Mendel um lugar destacado na história da ciência.

As descobertas de Mendel permitiram a outros cientistas prever a expressão dos carateres baseando-se em probabilidades matemáticas. Uma grande contribuição para o sucesso de Mendel foi que baseou as suas conclusões em dados obtidos de experimentos de cruzamento de plantas que não se reproduziram por autofecundação, e só mediu caraterísticas binárias, como cor, forma e posição das flores, em vez de carateres quantitativos. Expressou os seus resultados numericamente e submeteu-os a uma análise estatística. O seu método de análise de dados e os seus tamanhos de amostra grandes deram credibilidade aos seus dados. Estudou também as plantas em sucessivas gerações (F₁, F₂, F₃) e registou as suas variações. Finalmente, fez "cruzamentos de comprovação" (retrocruzamentos dos descendentes das hibridações com as linhas puras iniciais), que revelavam a presença e proporção dos carateres recessivos.

Experimentos de Mendel

Os sete carateres que Mendel estudou nos seus experimentos.

Mendel escolheu o Pisum sativum como organismo modelo porque tinha as seguintes vantagens: baixo preço, tempo de geração curto, elevado índice de descendência, diversas variedades dentro da mesma espécie (cor, forma, tamanho, etc.) e posse de carateres diferenciais constantes.

Pisum sativum é uma planta autógama, ou seja, que se autofecunda, o que pode alterar os experimentos. Mendel evitou as autofecundações cortando-lhes as anteras. Assim, pôde cruzar exclusivamente as variedades que ele desejava. Também cobriu com sacos as flores para proteger os híbridos do pólen não controlado durante a floração. Levou a cabo um experimento controlo realizando cruzamentos durante duas gerações sucessivas por autofecundação para obter linhas puras (homozigotas) para cada carater.

Mendel levou a cabo a mesma série de cruzamentos em todos os seus experimentos. Cruzou duas variedades ou linhas puras diferentes respeito de um ou mais carateres. Como resultado obtinha a primeira geração filial (F₁), na qual observou a uniformidade fenotípica dos híbridos. Posteriormente, a autofecundação dos híbridos da F₁ deu lugar à segunda geração filial (F₂), e assim sucessivamente. Também realizou cruzamentos recíprocos, isto é, alternava os fenótipos das plantas parentais (a que proporcionava o pólen e a que proporcionava o oócito):

♀P₁ x ♂P₂ ♀P₂ x ♂P₁ (sendo P a geração parental e os subíndices 1 e 2 os diferentes fenótipos desta).

Além disso, realizou retrocruzamentos, que consistem no cruzamento dos híbridos da primeira geração filial (F₁) com as linhas puras parentais utilizadas, nas duas direções possíveis: ♀F₁ x ♂P₂ e ♀P₂ x ♂F₁ (cruzamentos recíprocos) ♀F₁ x ♂P₁ e ♀P₁ x ♂F₁ (cruzamentos recíprocos)

Os experimentos demonstraram que:

• A herança é transmitida por elementos particulados (refutando assim a herança das misturas).
• Os seus experimentos seguem normas estatísticas simples, resumidas nos seus dois princípios: segregação dos carateres e distribuição independente.

As leis de Mendel

Mendel descobriu que quando se cruzam ervilhas de flores brancas e púrpuras, o resultado não é uma mistura, mas sim que a descendência tem flores púrpuras. Concebeu então a ideia da existência de unidades hereditárias, que denominou "fatores", um dos quais é uma caraterística recessiva e a outra dominante. Mendel disse que os fatores, depois chamados genes, normalmente aparecem em pares nas células somáticas ordinárias, mas que segregam (separam-se) durante a formação das células sexuais. Cada membro do par acaba situado em células sexuais (gametas) separadas. O gene dominante, como o púrpura da flor da ervilha, oculta a presença do gene recessivo, o de flor branca. Uma vez que Mendel autofecundou a geração F₁ e obteve a proporção 3:1 na descendência, teorizou corretamente que os genes podem emparelhar-se de três maneiras para cada carater: AA, aa, e Aa. A letra "A" maiúscula representa o fator dominante e a minúscula o recessivo, "a". A combinação Aa aparece com dupla frequência do que qualquer das outras duas, já que pode originar-se de duas formas: Aa ou aA.

Mendel afirmou que cada indivíduo tem dois fatores para cada carater, um procedente de cada progenitor. Os dois fatores podem conter ou não a mesma informação. Se os dois fatores são idênticos, o indivíduo diz-se que é homozigoto para esse carater. Se os dois fatores levam diferente informação, o indivíduo denomina-se heterozigoto. As formas alternativas de cada fator denominam-se hoje alelos. O genótipo de um indivíduo é constituído por todos os alelos que possui. A aparência física de um indivíduo ou fenótipo, é determinada pelos seus alelos e pela influência ambiental. Um indivíduo possui dois alelos para cada carater; um alelo recebeu da mãe e o outro do pai. Os alelos passam à seguinte geração através dos gametas: óvulos e espermatozoides. Quando se formam os gametas, os alelos separam-se de forma aleatória e cada gameta recebe só uma cópia de ditos alelos. A presença de um alelo não significa que o carater se expresse no indivíduo que o possui, já que nos heterozigotos só se expressa o alelo dominante. O alelo recessivo está presente também no heterozigoto, mas não se expressa, embora possa transmitir-se à descendência (há também exceções como a codominância).

Os descobertas de Mendel resumem-se em dois princípios básicos: lei da segregação e lei da distribuição independente.

Numeração das leis de Mendel

Há duas formas de numerar as leis de Mendel, uma que considera só duas leis e outra que considera três. Na realidade, as leis que explicam a transmissão dos carateres são só duas: lei da segregação (ou 1.ª lei de Mendel) e lei da distribuição independente (ou 2.ª lei de Mendel). Estas duas são as que geralmente se consideram como leis nos livros de nível avançado de Genética.

Contudo, é frequente, sobretudo em cursos e livros mais elementares, explicar as leis de Mendel adicionando também a lei da uniformidade, que é muito útil para explicar a dominância e recessividade dos carateres, mas que não é propriamente uma lei de transmissão. Se adicionamos esta lei, a numeração habitual é esta: Lei da uniformidade ou 1.ª lei de Mendel, lei da segregação ou 2.ª lei de Mendel e lei da distribuição independente dos carateres ou 3.ª lei de Mendel.

Como se vê, segundo se utilize a numeração com três leis ou com duas o ordinal varia, já que a lei da segregação seria a 1.ª lei no sistema de duas leis e a 2.ª lei no sistema de três leis, e a lei da distribuição independente seria a 2.ª lei no sistema de duas leis e a 3.ª lei no sistema de três leis.

Tendo em conta esta importante advertência, neste artigo será explicada também a lei da uniformidade para que a informação esteja mais completa.

Lei da uniformidade dos carateres

Lei da uniformidade dos carateres.

Esta lei é utilizada para explicar a dominância e não é propriamente uma lei de transmissão dos carateres, mas sim da expressão do fenótipo, pelo que não se enuncia nem numera em muitas exposições das leis de Medel. Diz assim: Se cruzarmos duas raças puras (homozigotas) distintas para um determinado carater, todos os filhos serão fenotipicamente iguais (uniformidade da F₁) e todos heterozigotos. Se no carater há dominância de um dos alelos, o fenótipo de todos os filhos será o fenótipo dominante (também há casos, nalguns carateres, de herança intermédia, na qual todos os filhos seriam de fenótipo intermédio).

Por exemplo, nas ervilhas no carater "cor da flor" há dois alelos, o A (púrpura e dominante) e o a (branco e recessivo). Se cruzarmos ervilhas de flores púrpuras (AA) e brancas (aa), obteremos filhos que serão todos do fenótipo dominante púrpura e todos Aa (heterozigotos).

Em palavras de Mendel ^[3]:

"A partir de agora nesta publicação os carateres que se transmitem inteiros ou quase sem alteração na hibridação, e, portanto, constituem os carateres do híbrido, denominar-se-ão dominantes, e os que ficam latentes no processo, recessivos. A expressão recessivo escolheu-se porque os carateres assim designados se retiram ou desaparecem totalmente nos híbridos, embora reapareçam sem alteração na sua progénie, como se demonstrará mais adiante". Gregor Mendel

Lei da segregação dos carateres

Lei da segregação dos carateres.

Os dois alelos de um gene que possui um organismo diploide segregam (separam-se) durante a formação dos gametas haploides na meiose, de modo que os gametas só levam aleatoriamente um dos alelos, mas estes voltam a unir-se durante a fecundação aleatória dos gametas, na qual se volta a formar um zigoto diploide.

Deste modo, se cruzarmos, por exemplo, dois heterozigotos Aa, formar-se-ão gametas A e a, que se unirão na fecundação formando três indivíduos filhos possíveis: aa, Aa e AA. As proporções em que aparecem (proporções genotípicas) serão 1 aa : 2 Aa : 1 AA. Se o alelo A é o dominante, as proporções fenotípicas serão de 3:1 a favor do fenótipo de A. Portanto, a dominância do alelo determinará a expressão do fenótipo na descendência.

A prova direta de que os gametas recebem um alelo veio com o estudo da meiose feito pelo botânico alemão Oscar Hertwig em 1876, e o zoólogo belga Édouard Van Beneden em 1883. Na meiose, os cromossomas materno e paterno separam-se e acabam (junto com o alelo que levam) em distintos gametas.

Em palavras de Mendel:^[4]

"Está agora claro que os híbridos formam sementes que têm um ou outro dos dois carateres diferenciais, e destes a metade voltam a desenvolver a forma híbrida, enquanto que a outra metade produz plantas que permanecem constantes e recebem o carater dominante ou o recessivo em igual número". Gregor Mendel

Lei da distribuição independente dos carateres

Quando cruzamos raças puras para dois carateres ao mesmo tempo os filhos são todos iguais em fenótipo (os fenótipos dominantes) e iguais em genótipo (todos heterozigotos).

Quando cruzamos dois dihíbridos da F₁ obtemos na F₂ as proporções 9:3:3:1. Os dois carateres A e B distribuíram-se independentemente um do outro, porque a proporção amarelo:verde é 3:1 e a liso:rugoso também.

Os alelos de genes diferentes distribuem-se com total independência um do outro durante a formação dos gametas. Dito de outro modo, os genes separados que determinam dois carateres distintos são herdados de forma independente um do outro. Esta lei cumpre-se quando os genes não têm "ligamento genético" entre si, ou seja, quando estão em distintos cromossomas, mas se estão no mesmo cromossoma não se cumpre. Esta lei indica que se estamos a estudar dois carateres ao mesmo tempo, por exemplo a cor das ervilhas e o tipo de superfície das ervilhas, a cor vai ser herdada de forma totalmente independente do tipo de superfície, sem que se influenciem um no outro.

Deste modo, se estudarmos ao mesmo tempo a herança dos carateres A e B, e cruzarmos dois dihíbridos (heterozigotos para os dois carateres), ou seja, dois indivíduos que são ambos AaBb, formar-se-ão os gametas haploides AB, Ab, aB e ab, que se fecundarão aleatoriamente originando filhos que estarão na proporção fenotípica 9:3:3:1, é dizer, há 9 que têm fenótipo dominante para os dois carateres, 3 que têm fenótipo dominante para o primeiro carater e recessivo para o segundo, 3 que têm fenótipo recessivo para o primeiro carater e dominante para o segundo, e só 1 que tem fenótipo recessivo para os dois carateres. Mas a distribuição independente manifesta-se quando contamos os fenótipos de cada carater separadamente e vemos que há uma proporção de 3:1 nos dois casos, tal como se esperava segundo a lei da segregação. Por exemplo, se estudarmos o carater "cor das ervilhas" (pode ser amarelo ou verde, com o amarelo dominante) e ao mesmo tempo o carater "tipo de superfície" (pode ser lisa ou rugosa, com o liso dominante), e cruzarmos ervilhas dihíbridas amarelas lisas (AaBb x AaBb) obteremos 9 amarelas e lisas (os carateres dominantes), 3 amarelas e rugosas, 3 verdes e lisas e 1 verde e rugosa (proporção 9:3:3:1). Mas isto faz uma proporção de 3 lisas por cada 1 rugosa (3:1) e de 3 amarelas por cada 1 verde (3:1).

A distribuição independente ocorre nos organismos eucariotas durante a segunda divisão meiótica, e produz gametas com uma mistura dos cromossomas do organismo. A base física desta distribuição independente é a orientação aleatória de cada bivalente cromossómico na placa metafásica da segunda divisão meiótica com respeito aos outros bivalentes. Juntamente com o sobrecruzamento, a distribuição independente aumenta a diversidade genética ao produzir novas combinações genéticas.

As células diploides humanas têm 23 pares de cromossomas, em cada par um cromossoma é de origem materna e outro paterna. Os gametas são haploides e só têm 23 cromossomas, um de cada par. Nos gametas originam-se todas as possíveis combinações de cromossomas maternos e paternos (e, portanto, dos alelos que levam), e todas as combinações aparecerão com a mesma frequência. Como os humanos temos 23 pares de cromossomas, os gametas humanos terão um número de possíveis combinações igual a $2^{23}$ ou 8 388 608.^[5] Por exemplo, um gameta humano determinado terá 23 cromossomas mas puderam calhar-lhe 16 de origem materna e 7 de origem paterna (e nos demais gametas todas as outras combinações possíveis). Isto contribui para a variabilidade genética da progénie.

Em palavras do próprio Mendel:^[4]

"Portanto, não há dúvida de que a todos os carateres que intervieram nos experimentos se lhes aplica o princípio de que a descendência dos híbridos na qual se combinam vários carateres essenciais diferentes, apresenta os termos de uma série de combinações, que se origina pela reunião das séries de desenvolvimento de cada par de carateres diferenciais".

Gregor Mendel

Figura 2: Os fenótipos de dois carateres independentes mostram a proporção 9:3:3:1 na F₂. Neste exemplo, os carateres são "cor do pelo", que tem os alelos B (castanho, dominante) ou b (branco) e "comprimento do rabo", com os alelos S (curto, dominante) ou s (longo). Quando cruzamos dois duplos homozigotos (SSbb x ssBB), os filhos da F₁ são todos heterozigotos SsBb castanhos e de rabo curto. Se cruzarmos dois indivíduos dihíbridos da F₁ obteremos uma F₂ com todas as combinações possíveis de cor e comprimento da rabo na proporção 9:3:3:1 (9 castanhos/curto (em fundo púrpura no gráfico), 3 brancos/curto (em fundo rosa), 3 castanhos/longo (fondo azul) e 1 branco/longo (fondo verde)), tal como prediz a lei da distribuição independente.

Carater mendeliano

Um carater mendeliano é um carater genético que está controlado por um só locus genético e mostra um padrão de herança mendeliano. Nestes carateres, uma mutação num só gene pode causar, se for prejudicial, uma doença que será herdada segundo as leis de Mendel. São exemplos a anemia falciforme, a doença de Tay-Sachs, a fibrose quística e o xeroderma pigmentoso. As doenças que dependem de um só gene contrastam com as doenças multifatoriais, como a artrite, que são afetadas por vários loci (e pelo ambiente) e com as doenças que são herdadas de modo não mendeliano. A base de dados Mendelian Inheritance in Man contém, entre outras coisas, um catálogo dos genes nos quais os carateres mendelianos podem causar doenças.^{[6] [7]}

Padrões de herança mendeliana

Mendel descreveu dois tipos de "fatores" (genes) de acordo com a sua expressão fenotípica na descendência, os dominantes e os recessivos, mas existe outro fator a ter em conta em organismos dióicos e é o facto de que os indivíduos do sexo feminino têm dois cromossomas X (XX) enquanto que os masculinos têm um cromossoma X e um Y (XY), de tal forma que se podem distinguir quatro modos ou "padrões" segundo os quais se pode transmitir uma mutação simples:

• Herança autossómica dominante (o alelo está situado num autossoma).
• Herança autossómica recessiva (situado num autossoma).
• Herança dominante ligada ao cromossoma X (situado na porção diferencial do cromossoma X).
• Herança recessiva ligada ao cromossoma X (situado na porção diferencial do cromossoma X).

Fenómenos que alteram as segregações mendelianas

As segregações esperadas segundo as leis de Mendel podem ser alteradas pelos seguintes fenómenos: herança ligada, influenciada ou limitada pelo sexo, inativação de um dos cromossomas X, penetrância, expressividade, pleiotropismo, heterogeneidade genética, letalidade de genes, e aparecimento de novas mutações nos gametas dos progenitores.

Além destes fatores, há outros que não cumprem as leis de Mendel devido ao ligamento de genes (genes situados no mesmo cromossoma que se herdam juntos) e à herança não mendeliana.

Referências

1. Henig, Robin Marantz (2009). The Monk in the Garden : The Lost and Found Genius of Gregor Mendel, the Father of Modern Genetics. [S.l.]: Houghton Mifflin. ISBN 0-395-97765-7. The article, written by an Austrian monk named Gregor Johann Mendel...
2. Pode ler-se o artigo de Mendel em inglês em: Gregor Mendel (1865). «Experiments in Plant Hybridization»
3. Mendel, Gregor. Experiments in plant hybridization. (1865). Read at the February 8th, and March 8th, 1865, meetings of the Brünn Natural History Society (Original em alemão: Mendel, Gregor. 1866. Versuche über Plflanzenhybriden. Verhandlungen des naturforschenden Vereines in Brünn, Bd. IV für das Jahr 1865, Abhandlungen, 3–47.)
4. Sinnott, Edmund Ware; Dunn LC & Dobzhansky T. (1961). «Mendel G. Experimentos de hibridación en plantas, 1866.». Principios de Genética. Barcelona: Omega. pp. 528-549. B 12915-1961.
5. Perez, Nancy. «Meiosis». Consultado em 15 agosto 2012. Cópia arquivada em 4 de março de 2012
6. Hamosh, A.; Scott, A.; Amberger, J.; Bocchini, C.; McKusick, V. (2004). "Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM), a knowledgebase of human genes and genetic disorders". Nucleic Acids Research 33 (Database issue): D514–D517. doi:10.1093/nar/gki033. PMC 539987. PMID 15608251. Arquivado em 2020-05-30 no Wayback Machine.
7. OMIM home page