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Herança Extranuclear
Karla Yotoko
Departamento de Biologia Geral – DBG – UFV
Viçosa, 27 de outubro de 2008.
Introdução
Quando estudamos gené�ca, principalmente gené�ca básica, acabamos por solidificar a idéia de que a hereditariedade se concentra nos cromossomos, que por sua vez localizam-se no núcleo das células. Quando Mendel propôs as leis da hereditariedade, não sabia onde seus “fatores” (genes) se localizavam, sabia apenas que um caráter é herdado dos parentais (um masculino e um feminino) e que o fenó�po depende da combinação dos fatores herdados (genó�po). O avanço da biologia clelular mostrou que os genes se localizam nos cromossomos, já que os cromossomos se comportavam, durante a meiose e a mitose, exatamente como os genes ou os fatores de Mendel.
A par�r daí, o problema da hereditariedade estava pra�camente resolvido: bastava então saber qual das moléculas que compõem os cromossomos é a verdadeira responsável pela hereditariedade. Muitos anos de estudos e um acúmulo enorme de evidências levaram à descrição da estrutura do DNA (Watson e Crick, 1953), que por sua vez permi�u que fosse inferido um mecanismo de replicação, que mais tarde se mostrou verdadeiro. Definidos estrutura e forma de replicação, e logo depois transcrição e tradução, estava defini�vamente resolvido o problema da hereditariedade. Numa visão reducionista disso, somos o resultado da expressão de nossos genes, que por sua vez foram herdados de nossos pais, que herdaram dos pais deles e assim por diante até o ancestral comum a todos nós, que viveu há mais de três bilhões de anos, no início da vida na Terra.
É claro que sempre soubemos que o fenó�po é o resultado da combinação da expressão dos nossos genes e do ambiente. Como é muito di�cil medir o quanto de cada caracterís�ca é influenciado pelos genes ou pelo ambiente, em geral esta combinação fica subentendida nos textos de gené�ca.
No entanto há caracterís�cas que não são herdadas de ambos os parentais. Estas caracterís�cas em geral são herdadas apenas de nossas mães, ou das mães de todos os organismos sexuados. São caracterís�cas citoplasmá�cas, herdadas do citoplasma do óvulo que deu origem ao zigoto. Lembre-se que durante a fecundação, apenas o núcleo do espermatozóide penetra no óvulo e se funde com o núcleo do mesmo. Com isso, todas as organelas citoplasmá�cas, bem como o próprio citosol, são herdados da fêmea.
Mitocôndrias e Cloroplastos
Dentre as organelas citoplasmá�cas de eucariotos, as mitocôndrias se destacam por possuir um DNA próprio. Se pensarmos em organismos fotossinté�cos, como as plantas, além das mitocôndrias, os cloroplastos também estão presentes, e estes também possuem um DNA próprio, independente do DNA do núcleo.
Várias teorias foram propostas para explicar a existência destas organelas com o próprio material gené�co. Uma delas postula que tanto mitocôndrias quanto cloroplastos �veram origem em fragmentos de membrana da própria célula e fragmentos do DNA da mesma, ou seja, que estas organelas �veram origem da própria célula eucarió�ca.
Outra teoria, que hoje é a mais aceita, e logo você entenderá porque, propõe que mitocôndrias e cloroplastos se originaram a par�r de bactérias de vida livre que foram fagocitadas pelo ancestral dos eucariontes, um organismo heterotrófico anaeróbico primi�vo.
Para dis�nguir entre uma teoria e outra foram u�lizados métodos filogené�cos, ou de comparação de organismos para tentar inferir graus de parentesco (Ver Box-1 ).
Felizmente existem milhões de seqüências disponíveis, então foi possível comparar as seqüências do DNA de mitocôndrias e cloroplastos com as seqüencias de todos os organismos presentes nos bancos públicos de dados.
Os resultados revelaram que as seqüências de DNA de mitocôndrias são muito mais parecidas com as seqüencias de DNA de bactérias de vida livre que com seqüências nucleares de qualquer eucarioto. Mais especificamente, as seqüências de DNA de mitocôndrias são muito próximas a seqüências das α-proteobactérias. Por outro lado, seqüências de cloroplastos apresentam alta similaridade com seqüências de cianobactérias. Portanto, nenhuma dessas organelas se originou a par�r do núcleo e sim de diferentes bactérias de vida livre. O Box-2 conta um pouco desta história.
Genes Mitocondriais e Plas�diais
A comparação do genoma completo das mitocôndrias com o genoma completo de α- proteobactérias sugere que as mitocôndrias perderam muitos de seus genes ao longo do tempo. Alguns deles devem de fato ter sido perdidos, mas a maioria foi, de alguma forma, transferida para o núcleo da célula. Nas células da maioria dos animais, por exemplo, as mitocôndrias possuem apenas cerca de 37 genes, sendo 13 deles codificadores das proteínas pertencentes à cadeia de fosforilação oxida�va, dois que são traduzidos em RNAs ribossômicos e 22 que são traduzidos em t-RNAs.
Por outro lado, cerca de 900 proteínas mitocondriais são codificadas por genes nucleares. Possivelmente a maioria destes genes era de genes da bactéria original que migraram para o núcleo. Estes genes são transcritos em mRNAs que são traduzidos no citoplasma das células. As proteínas resultantes são marcadas com seqüências sinalizadoras acrescentadas às suas extremidades amino- terminais. Depois de produzidas e re�radas do ribossomo, as proteínas mitocondriais são modificadas por chaperonas e encaminhadas a receptores no exterior das membranas das mitocôndrias. Mecanismos de transporte específicos encaminham as proteínas a seu des�no final na organela e só depois disso as proteínas sinalizadoras são re�radas. Este �po de marcação também ocorre nas proteínas dos cloroplastos que são produzidas pelo núcleo das células.
Código gené�co das mitocôndrias – mas o código não era universal?
Apesar de o código gené�co ser em geral apresentado como universal (figura 2A), existem algumas exceções, como as mitocôndrias, algumas bactérias e alguns eucariotos unicelulares, que apresentam pequenas diferenças, ou seja, um mesmo códon pode significar um aminoácido em um organismo e outro aminoácido, ou um códon de parada num segundo organismo. Conforme já mencionado, as mitocôndrias produzem apenas uma pequena parte (10 a 20) das centenas de proteínas que u�lizam. Para produzir estas proteínas, contam com seus próprios t-RNAs. Isso significa que o código gené�co diferenciado das mitocôndrias não afeta as proteínas do núcleo.
entre o código usual e o mitocondrial é o uso do códon UGA, códon de parada no código usual, como codificador do triptofano nas mitocôndrias. Com isso, o triptofano é inserido quando o códon é UGA ou UGG. A me�onina é inserida tanto na presença de AUG (igual ao código universal), quanto na presença do códon AUA, que codifica a isoleucina no código usual.
Tabela 1: Significado usual dos códons (código gené�co universal) e o significado modificado em mitocôndrias.
Códon Usual Mitocondrial UGA AGA AGG
Stop Arg Arg
Trp Stop Stop
AUA Ile Met
AGA Arg Ser
DNA citoplasmático e herança materna
Os primeiros indícios de que nem toda a herança dos eucariotos se concentra no núcleo das células provieram de caracterís�cas que eram herdadas exclusivamente de linhagens maternas (ou seja, o genó�po do pai não interferia no fenó�po da prole). Diversas doenças estão associadas à herança citoplasmá�ca (presente em mitocôndrias e cloroplastos) em diversas espécies de animais, fungos e plantas.
Repare que a herança citoplasmá�ca é diferente da herança ligada aos cromossomos sexuais. Neste caso, machos e fêmeas possuem, por exemplo, o cromossomo X (no sistema XY de determinação do sexo). Com isso, os cruzamentos recíprocos produzem resultados diferentes daqueles esperados nos cromossomos autossômicos. No caso da herança mitocondrial ou plas�dial, toda a prole tem o fenó�po condicionado pelo genó�po da mãe, já que apenas o óvulo é capaz de transmi�r as organelas para a próxima geração.
Se pensarmos na tecnologia de clonagem de mamíferos, um óvulo não fecundado tem seu núcleo re�rado e em seu lugar é colocado um núcleo diplóide de um outro indivíduo – a rigor estes indivíduos não vão ser iguais, já que a herança citoplasmá�ca será dis�nta!
Mitocôndrias e Cloroplastos nos estudos de evolução humana
Como a herança das mitocôndrias é exclusivamente materna, é possível rastrear uma mesma linhagem através das gerações, sem interferência de recombinações como ocorre com o genoma nuclear.
Em estudos envolvendo indivíduos da mesma espécie, o DNA mitocondrial revelou-se especialmente ú�l, já que a taxa de evolução dos genes mitocondriais seja muito mais alta que a apresentada por genes nucleares. Isso talvez se explique pelo fato de que a mitocôndria produz radicais livres durante a fosforilação oxida�va, o que aumenta a taxa de mutação do DNA mitocondrial em relação ao nuclear.
Este �po de abordagem em estudos de evolução humana vem revelando parte de nossa história, tanto de migração da África para os outros con�nentes quanto da Ásia para a América, e até mesmo
aspectos da história do Brasil. Um estudo recente revelou que uma amostra da população brasileira que se auto-declarava como “branca” apresenta mitocôndrias de origem Africana, Européia e Asiá�ca (que também são as mitocôndrias dos ameríndios) em igual proporção (Alves-Silva et al. 2000). Por outro lado, quando são avaliados os cromossomos Y, também de uma amostra de indivíduos auto-declarada “branca”, a maioria tem origem européia (Carvalho-Silva et al. 2001). Isso significa que um mesmo indivíduo pode ter a mitocôndria de origem africana, o cromossomo Y de origem européia e se auto- declarar “branco”. Com isso, é muito complicado definir “raças” na espécie humana tomando como base marcadores gené�cos.
Referências:
Carvalho-Silva DR, Santos FR, Rocha J, Pena SDJ (2001). THe phylogeography of Brazilian Y-Chromosome lineages. Am. J. Hum. Genet. 68:281-286.
Alves-Silva J, Santos MS, Guimarães PEM, Ferreira ACS, Bandelt J, Pena SDJ, PradoVF (2000). The ancestry of Brazilian mtDNA lineages. Am. J. Hum. Genet. 67: 444-461.
Bibliografia consultada:
Alberts B, Johnson A, Lewins J, Raff M, Roberts K, Walter P (2002) Molecular Biology of the Cell Fourth Edi�on. Taylor and Francis Group, London, UK.
Gri�hs AJF, Miller JH, Suzuki DT, Lewon�n RC, Gelbart WM. 2002. Introdução à Gené�ca. Editora Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, RJ.
Margulis L, Sagan D (2002) O que é sexo? Jorge Zahar Ed. Rio de Janeiro, RJ.
