Alelos no nível molecular

FIGURA 2.10 Cada cromossomo se divide longitudinalmente em duas cromátides (esquerda); no nível molecular (direita), a molécula de DNA única de cada cromossomo se replica, produzindo duas moléculas de DNA, uma para cada cromátide. Também estão demonstradas diversas combinações de um gene com o alelo do tipo selvagem + b e o tipo mutante b, causado pela alteração em um único par de bases, de GC para AT. Observe que, no nível do DNA, as duas cromátides produzidas quando um cromossomo se replica são sempre idênticas entre si e ao cromossomo original.

CONCEITO-CHAVE A herança mendeliana é demonstrada por qualquer segmento de DNA em um

cromossomo: por meio dos genes e de seus alelos e por meio de marcadores moleculares não

necessariamente associados a qualquer função biológica.

Alelos no nível molecular

No nível molecular, o fenótipo primário de um gene é a proteína que ele produz. Quais são as diferenças funcionais entre as proteínas que explicam os distintos efeitos dos alelos do tipo selvagem e mutantes sobre as propriedades de um organismo?

Exploremos o tópico ao utilizar a doença humana fenilcetonúria (PKU).

Veremos em uma seção posterior na análise de heredogramas que o fenótipo da PKU é herdado como um traço mendeliano recessivo. A doença é causada por um alelo defeituoso do gene que codifica a enzima hepática fenilalanina hidroxilase (PAH). Essa enzima normalmente converte a fenilalanina nos alimentos no aminoácido tirosina:

Entretanto, uma mutação no gene que codifica essa enzima pode alterar a sequência de aminoácidos próxima ao sítio ativo da enzima. Nesse caso, a enzima não consegue se ligar à fenilalanina (seu substrato) ou convertê-la em tirosina. Portanto, a fenilalanina se acumula no corpo e é convertida, em vez disso, em ácido fenilpirúvico. Esse composto interfere no desenvolvimento do sistema nervoso, levando ao retardo mental.

Os bebês atualmente são testados de modo rotineiro ao nascimento em relação a essa deficiência de processamento. Se a deficiência for detectada, o acúmulo de fenilalanina poderá ser evitado com a utilização de uma dieta especial e o desenvolvimento da doença será interrompido.

A enzima PAH é composta por um único tipo de proteína. Quais alterações

ocorreram no DNA mutado do gene da PKU, e como a referida alteração no nível do DNA afeta a função da proteína e produz o fenótipo da doença? O sequenciamento dos alelos mutantes de muitos pacientes com PKU revelou uma pletora de mutações em diferentes sítios ao longo do gene, principalmente nas regiões de codificação da proteína, ou éxons; os resultados estão resumidos

na Figura 2.12. Elas representam uma variação de alterações do DNA, mas a maior parte é de pequenas alterações que afetam apenas um par de nucleotídios entre os milhares que constituem o gene. O que esses alelos têm em comum é que eles codificam uma proteína defeituosa, que deixa de apresentar a atividade normal da PAH. Ao alterar um ou mais aminoácidos, todas as mutações inativam alguma parte essencial da proteína codificada pelo gene. O efeito da mutação sobre a função gênica depende da região dentro do gene no qual ocorre a mutação. Uma região funcional importante do gene é aquela que codifica um sítio ativo da enzima; assim, essa região é muito sensível à mutação. Além disso, se observa que uma minoria das mutações ocorre em íntrons, e essas mutações com frequência impedem o processamento normal do transcrito primário do RNA. Algumas das consequências gerais da mutação no

nível da proteína estão demonstradas na Figura 2.13. Muitos dos alelos mutantes são de um tipo em geral denominado alelos nulos: as proteínas codificadas por eles apresentam ausência completa da função da PAH. Outros alelos mutantes reduzem o nível da função enzimática; por vezes eles são denominados mutações hipomórficas (leaky), tendo em vista que alguma função do tipo selvagem parece “vazar” no fenótipo mutante. O sequenciamento do DNA com frequência detecta alterações que não causam impacto funcional, de modo que elas são funcionalmente do tipo selvagem. Portanto, observamos que os termos tipo selvagem e mutante por vezes devem ser utilizados com cautela.

FIGURA 2.11 Transmissão gênica e de DNA na mitose e na meiose em eucariotos. Estão demonstrados a fase S e os principais estágios da mitose e da meiose. As divisões mitóticas (à esquerda e na parte central) conservam o genótipo da célula original. À direita, as duas divisões meióticas sucessivas que ocorrem durante o estágio sexuado do ciclo de vida apresentam o efeito líquido de dividir pela metade o número de cromossomos. Os alelos A e a de um gene são utilizados para demonstrar como os genótipos são transmitidos na divisão celular.

FIGURA 2.12 Muitas mutações no gene da fenilalanina hidroxilase humana que causam mau funcionamento enzimático são conhecidas. O número de mutações nos éxons, ou regiões codificadoras da proteína (pretas), está listado acima do gene. O número de mutações nas regiões intrônicas (verdes, numeradas 1 a 13) que alteram a recomposição do mRNA está listado abaixo do gene. (Dados de C. R. Scriver, Ann. Rev. Genet. 28, 1994, 141-165.)

FIGURA 2.13 Mutações nas regiões de um gene que codificam sítios enzimáticos ativos levam à formação de enzimas que não funcionam (mutações nulas). Mutações em outras regiões gênicas podem não apresentar efeitos sobre a função enzimática (mutações silenciosas). Os promotores são sítios importantes na iniciação da transcrição.

CONCEITO-CHAVE A maior parte das mutações que alteram o fenótipo altera a sequência de

aminoácidos do produto proteico do gene, resultando em redução ou ausência de função.

Temos seguido a ideia de que descobrir um conjunto de genes que

interferem com a propriedade biológica em investigação é um objetivo importante da genética, tendo em vista que ele define os componentes do sistema. Entretanto, descobrir o modo preciso por meio do qual os alelos mutantes levam aos fenótipos mutantes com frequência é desafiador, requerendo não apenas a identificação dos produtos proteicos desses genes, mas também estudos celulares e fisiológicos detalhados para medir os efeitos das mutações. Além disso, descobrir como o conjunto de genes interage é um segundo nível de desafio e um tópico que seguiremos posteriormente, com

início no Capítulo 6.

Dominância e recessividade. Com uma compreensão a respeito de como os genes atuam por meio de seus produtos proteicos, podemos compreender melhor a dominância e a recessividade. A dominância foi definida anteriormente neste capítulo como o fenótipo mostrado por um heterozigoto. Portanto, formalmente, é o fenótipo que é dominante ou recessivo, mas, na prática, os geneticistas com frequência aplicam o termo aos alelos. Essa definição formal não apresenta conteúdo molecular, mas ambas a dominância e a recessividade podem apresentar explicações simples no nível molecular.

Introduzimos aqui o tópico, para ser revisitado no Capítulo 6.

Como os alelos podem ser dominantes? Como eles podem ser recessivos? A

recessividade é observada em mutações nulas nos genes que são funcionalmente haplossuficientes, imprecisamente significando que uma cópia do gene apresenta função suficiente para produzir um fenótipo do tipo selvagem. Embora uma célula diploide do tipo selvagem normalmente apresente duas cópias totalmente funcionais de um gene, uma cópia de um gene haplossuficiente proporciona produtos genéticos suficientes (em geral uma proteína) para realizar as transações normais da célula. Em um heterozigoto (digamos, +/m, em que m é um nulo), a única cópia funcional codificada pelo alelo + proporciona produto proteico suficiente para a função celular normal. Em um exemplo simples, presuma que uma célula necessite de no mínimo 10 unidades proteicas para funcionar normalmente. Cada alelo do tipo selvagem consegue produzir 12 unidades. Portanto, um homozigoto do tipo selvagem +/+ produzirá 24 unidades. O heterozigoto +/m produzirá 12 unidades, excedendo o mínimo de 10 unidades e, portanto, o alelo mutante é recessivo, tendo em vista que não apresenta impacto sobre o heterozigoto.

Outros genes são haploinsuficientes. Nos referidos casos, um alelo mutante

nulo será dominante, tendo em vista que, em um heterozigoto (+/P), o único alelo do tipo selvagem não consegue proporcionar produto suficiente para a função normal. Como outro exemplo, vamos presumir que a célula necessite de no mínimo 20 unidades dessa proteína, e que o alelo do tipo selvagem produza apenas 12 unidades. Um homozigoto do tipo selvagem +/+ produz 24 unidades, que é superior ao mínimo. Entretanto, um heterozigoto que envolve uma mutação nula (+/P) produz apenas 12; portanto, a presença do alelo mutante no heterozigoto resulta em um suprimento inadequado de produtos e se segue um fenótipo mutante.

Em alguns casos, a mutação resulta em uma nova função para o gene. As

referidas mutações podem ser dominantes, tendo em vista que, em um heterozigoto, o alelo do tipo selvagem não consegue mascarar essa nova função.

A partir das breves considerações anteriores, observamos que o fenótipo, a

descrição ou a medida que seguimos durante a herança mendeliana, é uma propriedade emergente, com base na natureza dos alelos e no modo como o gene funciona normal ou anormalmente. O mesmo pode ser dito em relação às descrições de dominante e recessivo que aplicamos para um fenótipo.