Redescoberta de Mendel

Conforme diz a lenda, quando o biólogo britânico William Bateson (Figura

1.5) embarcou em um trem dirigindo-se a uma conferência em Londres, em 1900, ele não tinha ideia do quão profundamente o seu mundo iria mudar durante a breve jornada. Bateson carregava consigo uma cópia do artigo de Mendel de 1866 sobre a hibridização das variedades de plantas. O estudioso soubera recentemente que biólogos na Alemanha, na Holanda e na Áustria haviam reproduzido, cada um de modo independente, a proporção de 3:1 de Mendel e que cada um citava o trabalho original de Mendel. Esse trio havia redescoberto as leis de Mendel acerca da herança. Bateson precisava ler o artigo de Mendel. Quando desceu do trem, o biólogo tinha uma nova missão na vida. Havia compreendido que o mistério da herança fora solucionado. Logo, tornou-se um apóstolo persistente das leis de Mendel sobre a herança. Alguns anos depois, em 1905, Bateson cunhou o termo genética: o estudo da herança. A revolução genética havia começado.

FIGURA 1.5 William Bateson, o zoólogo e evolucionista britânico que introduziu o termo genética para o estudo da herança e que promoveu o trabalho de Mendel. (SPL/Science Source.)

 

Quando as leis de Mendel sobre a herança foram redescobertas, em 1900,

foi liberado um grande fluxo de novos pensamentos e novas ideias. O mendelismo tornou-se o princípio de organização para uma grande parte da biologia. Havia muitas novas questões a ser formuladas a respeito da

herança. A Tabela 1.1 resume a cronologia das descobertas influentes realizadas ao longo das décadas subsequentes e os capítulos deste livro que abrangem cada um desses tópicos. Vejamos brevemente algumas questões que transformaram as ciências biológicas e suas respostas.

 

Tabela 1.1 Eventos-chave na história da genética.

 

Ano Evento Capítulos

 

1865 Gregor Mendel demonstrou que os traços são controlados 2, 3

por fatores distintos, atualmente conhecidos como genes

 

1869 Friedrich Miescher isolou o DNA dos núcleos de leucócitos 7

 

1903 Walter Sutton e Theodor Boveri formularam a hipótese de 4

que os cromossomos são os elementos hereditários

 

1905 William Bateson introduziu o termo genética para descrever 2

o estudo da herança

 

1908 G. H. Hardy e Wilhelm Weinberg propuseram a lei de Hardy- 18

Weinberg, o fundamento da genética de populações

 

1910 Thomas H. Morgan demonstrou que os genes estão 4

localizados nos cromossomos

1913 Alfred Sturtevant criou um mapa da ligação genética do 4

cromossomo X da Drosophila, o primeiro mapa genético

 

1918 Ronald Fisher propôs que fatores mendelianos múltiplos 19

podem explicar a variação contínua em relação aos traços,

fundando o campo da genética quantitativa

 

1931 Harriet Creighton e Barbara McClintock demonstraram que o 4, 16

crossing over é a causa da recombinação

 

1941 Edward Tatum e George Beadle propuseram a hipótese de 6

um gene—um polipeptídio

 

1944 Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty forneceram 7

evidências persuasivas de que o DNA é o material genético

nas células bacterianas

 

1946 Joshua Lederberg e Edward Tatum descobriram a conjugação 5

bacteriana

 

1948 Barbara McClintock descobriu elementos móveis 15

(transpósons) que se movimentam de um local para outro

no genoma

 

1950 Erwin Chargaff demonstrou que a composição do DNA segue 7

algumas regras simples em relação às quantidades relativas

de A, C, G e T

 

1952 Alfred Hershey e Martha Chase comprovaram que o DNA é a 7

molécula que codi ca as informações genéticas

 

1953 James Watson e Francis Crick determinaram que o DNA 7

forma uma dupla-hélice

 

1958 Matthew Meselson e Franklin Stahl demonstraram a 7

natureza semiconservativa da replicação do DNA

 

1958 Jérôme Lejeune descobriu que a síndrome de Down 17

resultava de uma cópia extra do cromossomo 21

 

1961 François Jacob e Jacques Monod propuseram que os níveis 11

enzimáticos nas células são controlados por mecanismos de

retroalimentação

 

1961 a Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana, Sydney Brenner e 9

1967 Francis Crick “desvendaram” o código genético

 

1968 Motoo Kimura propôs a teoria neutra da evolução molecular 18, 20

1977 Fred Sanger, Walter Gilbert e Allan Maxam inventaram 10

métodos para a determinação das sequências de

nucleotídios das moléculas de DNA

 

1980 Christiane Nüsslein-Volhard e Eric F. Wieschaus de niram o 13

complexo de genes que regulam o desenvolvimento do

plano corporal na Drosophila

 

1989 Francis Collins e Lap-Chee Tsui descobriram o gene que causa 4, 10

a brose cística

 

1993 Victor Ambrose e colegas descobriram o primeiro microRNA 13

 

1995 Publicada a primeira sequência de genoma de um 14

organismo vivo (Haemophilus in uenzae)

 

1996 Publicada a primeira sequência de genoma de um eucarioto 14

(Saccharomyces cerevisiae)

 

1998 Publicada a primeira sequência de genoma de um animal 14

(Caenorhabditis elegans)

 

2000 Publicada a primeira sequência de genoma de uma planta 14

(Arabidopsis thaliana)

2001 Publicada pela primeira vez a sequência do genoma humano 14

 

2006 Andrew Fire e Craig Mello vencem o prêmio Nobel por sua 8

descoberta do gene que é silenciado pelo RNA de lamento

duplo

 

2012 John Gurdon e Shinya Yamanaka vencem o prêmio Nobel por 8, 12

sua descoberta de que apenas 4 genes reguladores

conseguem converter células adultas em células-tronco

 

Onde na célula estão os genes de Mendel? A resposta veio em 1910,

quando Thomas H. Morgan, da Columbia University, em Nova York, demonstrou que os genes de Mendel estão localizados nos cromossomos: ele comprovou a teoria cromossômica da herança. A ideia não era novidade. Walter Sutton, que cresceu em uma fazenda no Kansas e posteriormente atuou como cirurgião para o exército norte-americano durante a Primeira Guerra Mundial, havia proposto a teoria cromossômica da herança em 1903. Theodor Boveri, um biólogo alemão, propôs tal teoria independentemente na mesma época. Era uma hipótese persuasiva, mas não havia dados experimentais para ampará-la. Isso mudou em 1910, quando Morgan comprovou a teoria cromossômica da herança com a utilização da genética mendeliana e a mosca-das-frutas como seu organismo

experimental. No Capítulo 4, você retraçará os experimentos de Morgan que comprovaram que os genes estão nos cromossomos.

Os genes mendelianos conseguem explicar a herança de traços

continuamente variáveis, como a estatura humana? Enquanto as proporções de segregação de 3:1 podem ser diretamente observadas em relação a traços simples, como a cor da flor, muitos traços demonstram uma variação contínua de valores em híbridos da segunda geração, sem proporções simples como 3:1. Em 1918, Ronald Fisher, o estatístico e geneticista britânico, resolveu como os genes mendelianos explicavam a herança de traços continuamente variáveis, como a estatura nas pessoas

(Figura 1.6). A ideia central de Fisher era de que os traços contínuos são, cada um, controlados por genes mendelianos múltiplos. A percepção de

Fisher é conhecida como hipótese multifatorial. No Capítulo 19, dissecaremos o modelo matemático e a evidência experimental em relação à hipótese de Fisher.

Como os genes atuam dentro das células de modo que lhes é

possibilitado o controle de diferentes estados em relação a um traço como a cor das flores? Em 1941, Edward Tatum e George Beadle propuseram que os genes codificam enzimas. Com a utilização do fungo do pão (Neurospora crassa) como seu organismo experimental, eles demonstraram que os genes codificam as enzimas que realizam funções metabólicas

dentro das células (Figura 1.7). No caso da ervilha, existe um gene que codifica uma enzima necessária para produzir o pigmento roxo nas células de uma flor. A descoberta de Tatum e Beadle se tornou conhecida como a hipótese de um gene–uma enzima. Você verá como eles desenvolveram

tal hipótese no Capítulo 6.

FIGURA 1.6 Estudantes no Connecticut Agricultural College em 1914 demonstram uma diversidade de estaturas. Ronald Fisher propôs que traços continuamente variáveis, como a estatura humana, são controlados por genes mendelianos múltiplos. (A. F. Blakeslee, “Corn and Men,” Journal of Heredity 5, 11, 1914, 511-518.)

 

Qual é a natureza física do gene? Os genes são compostos por proteínas,

ácido nucleico ou outra substância? Em 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty ofereceram a primeira evidência experimental persuasiva de que os genes são feitos de ácido desoxirribonucleico (DNA). Eles demonstraram que o DNA extraído de uma cepa virulenta de bactérias carreava as informações genéticas necessárias para transformar uma cepa

não virulenta em uma cepa virulenta. Você aprenderá no Capítulo 7 como exatamente eles demonstraram isso.

Como as moléculas de DNA conseguem armazenar informação? Na

década de 1950, havia um certo tipo de corrida entre diversos grupos de geneticistas e químicos para responder a essa questão. Em 1953, James Watson e Francis Crick, que trabalhavam na Cambridge University, na Inglaterra, venceram a corrida. Eles determinaram que a estrutura molecular do DNA se encontrava na forma de uma dupla-hélice: dois filamentos de DNA enrolados lado a lado em uma espiral. Sua estrutura da dupla-hélice é

semelhante a uma escada torcida (Figura 1.8). As laterais da escada são compostas por grupos de açúcar e fosfato. Os degraus, por 4 bases: adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C). As bases estão voltadas para o centro e cada base está ligada por uma ponte de hidrogênio com a base voltada para ela no filamento oposto. A adenina em um filamento sempre está pareada com a timina no outro, por meio de uma dupla ligação de hidrogênio, enquanto a guanina sempre está pareada com a citosina por meio de uma tripla ligação de hidrogênio. A especificidade da ligação tem por base os formatos e as cargas elétricas complementares das bases. A sequência de A, T, G e C representa a informação codificada pela molécula

de DNA. Você aprenderá no Capítulo 7 como tudo isso ocorreu.

Como os genes são regulados? As células necessitam de mecanismos

para ligar ou desligar os genes em tipos de células e tecidos específicos e em ocasiões específicas durante o desenvolvimento. Em 1961, François Jacob e Jacques Monod realizaram uma descoberta conceitual sobre essa questão. Trabalhando com os genes necessários para metabolizar o açúcar lactose na bactéria Escherichia coli, eles demonstraram que os genes apresentam elementos regulatórios que comandam a expressão gênica, ou

seja, se um gene está ligado ou desligado (Figura 1.9). Os elementos regulatórios são sequências de DNA específicas às quais uma proteína regulatória se liga e atua como um ativador ou um repressor da expressão

do gene. No Capítulo 11, você explorará a lógica por trás dos experimentos de Jacob e Monod com E. coli, e, no 12, você explorará os detalhes da regulação gênica em eucariotos.

Como as informações armazenadas no DNA são decodificadas para

sintetizar proteínas? Embora a descoberta da estrutura helicoidal dupla do DNA tenha sido um divisor de águas para a biologia, muitos detalhes ainda eram desconhecidos. Precisamente como as informações eram codificadas no DNA e como elas eram decodificadas para formar as enzimas que Tatum e Beadle haviam demonstrado ser desencadeadoras da ação gênica permanecia desconhecido. Entre os anos de 1961 e 1967, equipes de geneticistas moleculares e químicos que trabalhavam em diversos países responderam a essas questões quando “desvendaram o código genético”. Isso significa que eles deduziram como uma sequência de nucleotídios no DNA, cada qual com uma de quatro bases diferentes (A, T, C ou G), codifica o conjunto de 20 aminoácidos diferentes que formam as proteínas. Eles também descobriram que existe uma molécula mensageira, feita de ácido ribonucleico (RNA), que carreia as informações do DNA no núcleo para o citoplasma, no qual as proteínas são sintetizadas. Em 1967, o fluxograma básico em relação à transmissão da informação nas células foi conhecido. Esse fluxograma é considerado o dogma central da biologia molecular.

 

FIGURA 1.7 O modelo de um gene–uma enzima propôs que os genes codificam enzimas que realizam funções bioquímicas dentro das células. Tatum e Beadle propuseram esse modelo com base no estudo da síntese da arginina (um aminoácido) no fungo do pão Neurospora crassa.

FIGURA 1.8 A. A estrutura da dupla-hélice do DNA, demonstrando os arcabouços de açúcar-fosfato em azul e as bases pareadas em marrom. B. Uma representação plana do DNA, demonstrando como A sempre pareia com T, e G com C. Cada fileira de traços entre as bases representa uma ponte de hidrogênio.