Em genética, como um todo, poucos tópicos envolvem aspectos humanos de forma tão direta quanto as mudanças no número de cromossomos presentes em nossas células. É importante o fato de que um grupo de distúrbios genéticos comuns resulta da presença de um número anormal de cromossomos. Embora este grupo de distúrbios seja pequeno, ele contribui para uma grande proporção de problemas de saúde geneticamente determinados que afligem os seres humanos. É também relevante para os seres humanos o papel das mutações cromossômicas no cruzamento de plantas: os criadores de plantas tem manipulado rotineiramente o número de cromossomos para melhorar cultivos agriculturais comercialmente impotentes.
As mudanças no número de cromossomos são basicamente de dois tipos: mudança em conjuntos totais de cromossomos, resultando em uma condição chamada de euploidia aberrante, e mudanças em partes de conjunto de cromossomos, resultando em uma condição de aneuploidia.
EUPLOIDIA ABERRANTE
Os organismos com múltiplos do conjunto básico de cromossomos (genoma) são chamados de euplóides.
Os estados haplóides e diplóides são ambos são ambos casos de euploidia normal. Organismos que têm mais ou menos que o número normal do conjuntos saq aberrantes euplóides. Os poliplóides são organismos individuais que têm mais de dois conjuntos cromossômicos. Eles podem apresentar 3n (triplóide), 4n (tetraplóide), 5n (pentaploides), 6n (hexaploide) e assim por diante.
Um indivíduo de uma espécie normalmente diplóide que tem apenas um conjunto (n) cromossômico é chamado de monoplóide, para distingui-lo de um individuo de uma espécie normalmente haplóide (também n)
MONOPLÓIDES
Zangões, vespas e formigas são monoplóides. Nos ciclos de vida normais destes insetos, os machos se desenvolvem por partenogênese (o desenvolvimento de um tipo especializado de ovócito não fertiliza em um embrião sem a necessidade de fertilização).
POLIPLÓIDES
A poliploidia é muito comum em plantas, mas mais raras em animais.
De fato, um aumento no número de conjuntos cromossômicos foi um fator importantes na origem de algumas espécies de novas plantas.
MUDANÇA NA ESTRUTURA DOS CROMOSSOMOS
As mudanças na estrutura do cromossomo, chamadas de rearranjos, englobam varias classes importantes de eventos. Um segmento cromossômico pode ser perdido, constituindo uma deleção, ou duplicada, para formar uma duplicação. A orientação de um segmento dentro do cromossomo pode ser revertida, constituindo uma inversão. Ou um segmento pode ser movido pode ser movido para um cromossomo diferente, constituindo uma translocação. A quebra do DNA é uma causa importante de cada um destes eventos. Ambos os filamentos do DNA devem ser quebrados em dois locais diferentes, seguido de uma reunião das pontas quebradas para produzir os rearranjos cromossômicos. Os rearranjos cromossômicos por quebra podem ser induzidos artificialmente com o uso da radiação ionizante. Este tipo de radiação, particularmente os raios X e raios gama, é altamente energético e causa várias quebras bifilamentares no DNA.
DELEÇÕES
O processo espontâneo de deleção deve incluir duas quebras para a saída do segmento do meio. Caso as duas extremidades criadas se juntem e uma delas possua o centrômero será criado um cromossomo de tamanho reduzido, e esse será dito carregador de uma deleção. O fragmento deletado é acêntrico (não possui centrômero), conseqüentemente é imóvel e será perdido.
Um mutágeno eficiente para causar deleções é a radiação ionizante, que é altamente energética e causa quebras cromossomais. A forma como a quebra se religa determina o tipo de rearranjo produzido. Dois tipos de deleções são pssíveis:
Duas quebras podem produzir uma deleção intersticial;
A princípio, uma quebra pode causar uma deleção terminal, mas devido à necessidade dos telômeros é mais provável que as deleções terminais incluam duas quebras, sendo uma dela próxima ao telômero.
Os efeitos das deleções dependem de seu tamanho. Uma deleção pequena dentro de um gene, chamada deleção intragênica, inativa apenas aquele gene, tendo o mesmo efeito de qualquer outra mutação que anulasse o gene. No entanto, as deleções intragênicas normalmente não são reversíveis, e essa característica é usada para distingui-las das outras mutações.
Deleções multigênicas são aquelas que removem de dois a alguns milhares de genes e têm conseqüências muito severas. Através de autofecundação podem ser originados zigotos homozigotos para essa deleção, mas quase sempre isso é letal. Isso mostra como a maioria das regiões dos cromossomos é essencial para a viabilidade normal e a eliminação de qualquer segmento do genoma é deletério. Até mesmo indivíduos heterozigotos para a deleção multigênica podem não sobreviver. Existem diversos motivos para essa falha:
Existe uma “regulação fina” da expressão gênica e as deleções atrapalham esse balanço;
O genoma possui uma vasta gama de alelos recessivos letais que normalmente estão escondidos graças aos genes normais presentes nos cromossomos homólogos. Caso haja a deleção de algum desses genes normais o alelo letal deixa de ter seu efeito sobreposto.
Algumas pequenas deleções são viáveis em combinação com um cromossomo homólogo normal. Nesses casos a deleção pode, algumas vezes, ser identificada através de uma análise citogenética. A análise dos cromossomos meióticos de um indivíduo com uma deleção heterozigota mostra a formação de uma volta (deletion loop) no cromossomo normal devido à ausência de região homóloga. Uma deleção pode ser ligada a uma região específica do cromossomo determinando qual cromossomo possuiu essa volta e em que posição do cromossomo a volta está.
As mutações cromossômicas podem ser uma causa de câncer, e isso demonstra o seu caráter deletério. Não são todas as células de um tumor que apresentam essas deleções, e o mais usual é encontrar vários tipos de deleções dentro de um único tumor. Alguns tumores onde são encontradas deleções: neuroblastoma; melanoma; carcinoma de pulmão; tumores testiculares
DUPLICAÇÕES
O processo de mutação cromossômica às vezes produz uma cópia extra de alguma região do cromossomo. As regiões duplicadas podem estar localizadas adjacentes uma à outra ou uma das regiões duplicadas pode estr em sua região normal e a outra em alguma outra parte do cromossomo ou até mesmo de um cromossomo diferente. Em um organismo diplóide, o conjunto de cromossomos contendo uma duplicação normalmente está associado a um conjunto de cromossomos sem a duplicação, as células de tal organismo terão então três cópias da região do cromossomo em questão.
Os heterozigotos para duplicações apresentam estruturas de pareamento interessantes durante a meiose. A estrutura formada depende do tipo de duplicação. O presente estudo considerará apenas duplicações adjacentes, que podem ser tandem como no exemplo: A B C B C D; ou reversa como no exemplo: A B C C B D.
A região extra de uma duplicação está livre para sofrer mutações genéticas porque as funções básicas necessárias da região serão realizadas pela outra cópia. Mutação na região extra é uma oportunidade para divergência na função dos genes duplicados, o que pode ser vantajoso na evolução do genoma. De fato, em situações onde diferentes produtos gênicos com funções relacionadas, tais como as globinas, foram comparados existem muitos indícios de que tais produtos surgiram de duplicações.
Duplicações tandem são raras em humanos. A maioria das duplicações consiste em um braço ou um pedaço de braço extra, geralmente associado a um cromossomo não homólogo. Diferentemente das deleções, duplicações não revelam genes letais recessivos, sendo assim, as anormalidades ligadas às duplicações estão associadas a uma quebra no balanço de expressão gênica devido à cópia extra da região. Em geral, duplicações são difíceis de detectar e raras, no entanto são um mecanismo muito útil para a evolução.
INVERSÕES
Quando ocorrem duas quebras em um cromossomo, algumas vezes a região as quebras sofre uma rotação de 180 graus antes da religação dos fragmentos. Tal evento cria uma mutação cromossomal denominada inversão.
Diferentemente de deleções e duplicações, inversões não causam uma mudança no balanço de material gênico expresso, então inversões normalmente são viáveis e não causam anormalidades fenotípicas. Em alguns casos uma das rupturas do cromossomo é em um gene com função essencial, e o ponto de quebra age como uma mutação letal. Nesse caso a inversão não pode ser encontrada em homozigose.
A maioria das análises de inversões usam indivíduos heterozigotos – indivíduos com um cromossomo com a inversão e um cromossomo homólogo normal. A observação microscópica da meiose nesses heterozigotos revela a região ou pelo menos a presença de inversão devido aos padrões de dobramento nesses cromossomos. No caso mais simples forma-se uma volta de inversão (inversion loop)
A localização do centrômero em relação ao segmento invertido determina o comportamento genético do cromossomo. Se o centrômero estiver fora da inversão ela é denominada paracêntrica, enquanto uma inversão que inclua o centrômero é denominada pericêntrica.
A maior importância das inversões, no entanto são os crossing over que podem acontecer dentro das diferentes voltas de inversão que podem ser produzidas pelos diferentes padrões de inversão. Os casos mais comuns são:
Deleção recorrente de crossing over entre um cromossomo normal e um com uma inversão paracêntrica. Além de cromossomos com pequenas deleções são originados cromossomos inviáveis;
Duplicação de grandes regiões (braço longo) do cromossomo devido à permutação entre um cromossomo normal e um com inversão pericêntrica perto de uma braço curto dispensável.
TRANSLOCAÇÕES
Quando dois cromossomos não homólogos sofrem uma mutação de troca de partes o resultado é denominado translocação. Aqui consideraremos translocações recíprocas, onde um segmento de um cromossomo é trocado por um segmento de outro cromossomo não homólogo, gerando assim dois cromossomos translocados.
A troca de partes de cromossomos não homólogos gera novas relações de ligação entre os genes desses cromossomos. Essa mudança de relação entre genes é muito facilmente estudada para indivíduos homozigotos para essa mutação. As translocações podem alterar drasticamente o tamanho e posição do centrômero nos cromossomos em questão. No exemplo abaixo um grande cromossomo metacêntrico é transformado em um pequeno acrocêntrico.
Outro caso muito comum é a translocação entre cromossomos acrocêntricos com os braços curtos dispensáveis. Esse tipo é chamado de Translocação Robertsoniana e é encontrada em várias populações naturais
Várias conseqüências advêm das translocações, podendo elas ser visíveis no portador ou na prole. Alguns casos de câncer parecem estar ligados a translocações em células somáticas, como é o caso do câncer na papila ovariana e tumor na parótida. O padrão de meiose contendo cromossomos translocados pode resultar em outras mutações tais como deleções ou duplicações. Os efeitos potenciais dessas mutações já foram discutidos em tópicos anteriores.
As translocações são muito importantes no processo de especiação por resultarem em uma barreira genética para a reprodução entre duas populações da mesma espécie, especialmente no caso da Translocação Robertsoniana. Isso pode ser demonstrado pelo exemplo da Síndrome de Down em humanos que possuem uma translocação entre os cromossomos 21 e 14. Um indivíduo heterozigoto para essa mutação tem seu sucesso reprodutivo reduzido quando seu parceiro não é portador. Isso é causado pelos genótipos letais e com Síndrome de Down obtidos freqüentemente na prole.
DISTÚRBIOS DO METABOLISMO
VARIANTES DO METABOLISMO
Até hoje, já foram descritos mais de 350 erros inatos do metabolismo e a maioria deles é rara. Em conjunto, entretanto,os distúrbios metabólicos contribuem com uma porcentagem substancial de morbidade e mortalidade diretamente atribuídas a doenças genética. Alem disso estamos a compreender que alelos diferentes podem alterar o risco de muitas doenças comuns.
Fazer o diagnóstico de um distúrbio metabólico pode ser um desafio. Assim, a morbidade associada a defeitos metabólicos é provavelmente subestimada. Na década de 1970 muitas crianças foram diagnosticadas com uma encefalopatia metabólica geralmente fatal chamada síndrome de Reye. Nas décadas seguintes, aprendemos que algumas crianças diagnosticadas com uma encefalopatia indistinguível da síndrome de Reye tinha um defeito no ciclo da uréia que produzia hiperamonemia (aumento de amônia) e morte. O reconhecimento da síndrome de Reye como uma fenocópia de um defeito no ciclo da uréia é importante porque, além dos cuidados de apoio, os defeitos do ciclo da uréia são diretamente tratáveis.
Herança dos defeitos metabólicos
A maioria dos distúrbios metabólicos é herdada de modo autossômico recessivo. Só as pessoas com dois alelos mutantes são afetadas. Embora um alelo mutante produza ou não atividade enzimática reduzida, ele geralmente não altera a saúde do heterozigoto portador. Como muitos dos genes que codificam enzimas relacionadas a doença foram clonados e suas mutações caracterizadas, o teste dos portadores e o diagnóstico pré-natal de muitos distúrbios metabólicos estão disponíveis. Entretanto os testes em amostras de sangue seco quanto a níveis elevados, de metabólitos no período neonatal ainda são os mais usados nas triagens populacionais para distúrbios metabólicos. Infelizmente, a maioria das mortes causadas por erros inativos do metabolismo é devida a variantes enzimática não incluídas nos programas de triagem neonatal. À medida que progredir a tecnologia para testes de DNA rápidos e eficientes quanto a alelos mutantes, provavelmente serão incorporados distúrbios adicionais nas triagens de população.
TIPOS DE PROCESSO METABÓLICO
Os distúrbios metabólicos têm sido classificados de muitos modos, incluindo: (1) os efeitos patológicos de via bloqueada (ex: ausência do produto final, acúmulo de substrato); (2) classes funcionais diferentes de proteínas (ex: receptores, hormônios); (3) co-fatores associados (ex: metais, vitaminas); e (4) vias afetadas (ex: glicólise, ciclo do acido cítrico). Todos têm vantagens e desvantagens, e nenhum engloba todos os distúrbios metabólicos. Todavia, a classificação que mais completamente integra nossos conhecimentos de biologia celular, fisiologia e patologia com os distúrbios metabólitos classifica os defeitos do metabolismo pelos tipos de processo que são pertubados.
DEFEITOS DOS PROCESSOS METABÓLICOS
Quase todas as reações bioquímicas no corpo humano são controladas por enzimas, que atuam como catalisadores. As propriedades catalíticas das enzimas tipicamente aumentam as taxas de reação em mais de um milhão de vezes. Estas reações mediam a síntese, transferência, uso e degradação de biomoléculas para construir e manter as estruturas internas das células, tecidos e órgãos. As biomoléculas podem ser categorizadas em quatro grupos primários: acido nucléicos, proteínas, carboidratos e lipídios. As principais vias metabólicas que metabolizam estas moléculas incluem glicólise, ciclo do ácido cítrico, shunt de pentose fosfato, gliconeogênese, síntese e armazenamento de glicogênio e de ácidos graxos, vias degradativas, produção de energia e sistemas de transporte. Discutiremos como os defeitos em cada uma destas vias metabólicas podem causar doenças humanas.
METABOLISMO DE CARBOIDRATOS
Em vista das muitas aplicações diferentes que têm em todos os organismos, os carboidratos são a substancia orgânica mais abundante no planeta. Funcionam como substrato para produção de energia e armazenamento, como intermediários de vias metabólicas e no arcabouço do DNA e do RNA. Consequentemente, os carboidratos contribuem com parte importante da dieta humana, e são metabolizados em três monossacarídeos principais: glicose, galactose e frutose. A galactose e a frutose são convertidas em glicose antes da glicólise. Não utilizar efetivamente estes açúcares contribui para a maioria dos erros inatos do metabolismo de carboidratos em seres humanos.
METABOLISMO DOS AMINOÁCIDOS
As proteínas têm as funções, mais diversas entre as grandes biomolécula.
HIPERFENILALANINEMIAS
Os defeitos no metabolismo de fenilalanina (um aminoácido essencial) causam as hiperfenilalaninemias.
Os níveis elevados de fenilalanina plasmática perturbam processos celulares essenciais no cérebro tais como a mielinização e sínteses de proteínas, produzindo essencialmente grave retardo mental. A maioria dos casos de hiperfenilalaninemias é causada por mutações da finilalanina hidoxilase (PAH) e produzem a fenilcetonúria clássica (PKU). Mais de 100 mutações foram identificadas na PAH, incluindo substituição, inserções de deleções.
O tratamento da hiperfenilalaninemias visa a restaurar os níveis normais de fenilalanina sangüínea restringindo a ingestão dietética de alimentos contendo fenilalanina.
A fenilalanina é um aminoácido essencial e suplementos adequados são necessários ao crecimento e desenvolvimento normal.
A hiperfenilalaninemias em uma mulher grávida pode causar embriopatia , que consiste na ma formação fetal.
METABOLISMO DE LIPÍDIOS
Os lipídios ou gorduras são um grupo heterogêneo de biomoléculas indissolúveis na água e altamente solúveis em solventes orgânicos. São o arcabouço para os fosfolipídios e esfingolipídios, que são componentes de todas as membranas biológicas. Os lipídios também são constituintes dos hormônios. Atuam como mensageiros intracelulares e servem como substrato energético. Níveis séricos elevados de lipídios (hiperlipidemia) são comuns, e resultam de mecanismos defeituosos de transporte de lipídio. Os erros do metabolismo de ácidos graxos são muito menos freqüentes. A caracterização dos erros de oxidação de ácidos graxos tem sido uma eficiente abordagem para se compreender a base bioquímica do catabolismo de lipídios.
Durante o jejum e exercícios aeróbicos prolongados, os ácidos graxos, são mobilizados do tecido adiposo, tornando-se um substrato importante para a produção de energia no fígado, musculosos esqueléticos e músculo cardíaco. As principais etapas desta via incluem a captação e ativação de ácidos graxos pelas células, transporte através das membranas internas e externas das mitocôndrias.
FARMACOGENÉTICA
O estudo da modificação genética das respostas humanas a agentes farmacológicos é chamado de farmacogenética. Uma deficiência causa aumento da sensibilidade à droga antimalarígena primaquina, produzindo aguda anemia hemolítica. A exposição de uma pessoa tendo um polimorfismo enzimático comum a uma substancia química especifica produz um efeito farmacológico não previsto.
Uma variante farmacogenética pode ser importante se (1) a droga for amplamente usada na prática clinica, (2) os efeitos terapêuticos e tóxicos da droga forem difíceis de avaliar e titular clinicamente e (3) o destino do agente ativo for amplamente dependente da via variante.
BIBLIOGRAFIAS
GRIFFITHS: Anthony J. F. Introdução a genética. 8 ed.. Ed. Guanabara Koogan. Tradutor: Paulo A. Mota. Rio de Janeiro – RJ.
JORDE, Lynn B. Genética Médica. 2 ed. Ed. Guanabara Koogan. Tradutor: Paulo A Motta. Rio de Janeiro – RJ