Desenvolvimento do Coração em Moscas e Implicações em Cardiopatias Congênitas

A Uma mosca sem coração O coração de uma moscadafruta é um órgão simples um tubo aberto que se contrai de forma rítmica bombeando o fluido ação algo ineficiente para o corpo da mosca Embora simples e deselegante o coração da moscadafruta é essencial Algumas moscas mutantes raras nunca desenvolvem um coração e morrem o que seria esperado em um estágio embrionário inicial O geneticista Rolf Bodmer analisou esses mutantes em 1980 e fez uma importante descoberta um gene que especifica o desenvolvimento de um coração Ele chamou o gene de tinman homem de lata em homenagem ao personagem do Mágico de Oz que também não tinha coração A pesquisa de Bodmer revelou que o tinman codifica um fator de transcrição que se liga ao DNA e liga outros genes essenciais para o desenvolvimento normal de um coração Nas moscas mutantes sem esse gene o fator de transcrição nunca era produzido e o coração não se desenvolvia Os achados de pesquisa subsequente revelaram a existência de um gene humano chamado Nkx25 com uma sequência semelhante à do tinman mas a função do gene humano é desconhecida Então nos anos 1990 os médicos Jonathan e Christine Seidman começaram a estudar pessoas que nasciam com corações anormais como os casos de coração com um orifício no septo que separa as câmaras dos lados direito e esquerdo do coração Tais defeitos provocam fluxo sanguíneo anormal pelo coração fazendo com que o músculo trabalhe mais que o normal e misturando o sangue oxigenado com o sangue não oxigenado As cardiopatias congênitas não são incomuns são encontradas em cerca de 1 em cada 125 recémnascidos Alguns defeitos desaparecem por si sós mas outros precisam de cirurgia corretiva Embora a cirurgia seja um sucesso para reverter esses problemas congênitos muitos desses pacientes começam a apresentar arritmia cardíaca aos 20 ou 30 anos Os Seidman e seus colaboradores descobriram várias famílias nas quais as cardiopatias congênitas e arritmias eram herdadas juntas em um padrão autossômico dominante A análise molecular detalhada de uma dessas famílias revelou que o gene responsável pelas cardiopatias estava localizado no cromossomo 5 em um ponto onde o gene tinman humano Nkx25 havia sido previamente mapeado Todos os membros daquela família que herdavam as cardiopatias também herdavam uma mutação no gene tinman Estudos adicionais com outros pacientes descobriram que muitas pessoas com cardiopatias congênitas tinham uma mutação nesse gene A versão humana desse gene assim como sua contrapartida nas moscas codifica um fator de transcrição que controla o desenvolvimento do coração Apesar das incríveis diferenças no tamanho na anatomia e na fisiologia os seres humanos e as moscas usam o mesmo gene para criar um coração história do tinman ilustra a importância central do estudo das mutações o exame dos mutantes é em muitos casos uma fonte de discernimento crítico nos processos biológicos importantes Este capítulo é dedicado às mutações gênicas como os erros surgem nas instruções genéticas e como esses erros são estudados Vamos começar com um rápido exame dos diferentes tipos de mutações incluindo seus efeitos fenotípicos como eles podem ser suprimidos e as taxas de mutação A seção a seguir explora como as mutações surgem espontaneamente durante e após a replicação do DNA assim como as substâncias químicas e a radiação induzem as mutações Após discutir a análise das mutações examinaremos os elementos de transposição as sequências de DNA capazes de se deslocar no genoma e assim produzir mutações Finalmente estudaremos o reparo do DNA e algumas das doenças que surgem quando ele é defeituoso 181 As mutações são alterações herdadas na sequência do DNA O DNA é uma molécula muito estável replicada com incrível acurácia ver os Capítulos 10 e 12 mas podem ocorrer mudanças na estrutura do DNA e erros de replicação Uma mutação é definida como uma mudança herdada na informação genética os descendentes podem ser células ou organismos Importância das mutações As mutações são responsáveis tanto por manter a vida quanto por causar grande sofrimento Por um lado a mutação é a fonte de todas as variações genéticas a matériaprima da evolução A capacidade dos organismos em se adaptar à mudança ambiental depende da variação genética nas populações naturais e a variação genética é produzida pela mutação Por outro lado muitas mutações têm efeitos prejudiciais e são a causa de muitas doenças e distúrbios Parte do estudo da genética se concentra em como as variantes produzidas pela mutação são herdadas os cruzamentos genéticos são insignificantes se todos os membros de uma espécie são identicamente homozigotos para os mesmos alelos Parte do sucesso de Gregor Mendel em solucionar os princípios da hereditariedade pode ser atribuído ao uso de variantes cuidadosamente selecionadas de ervilha de jardim Da mesma forma Thomas Hunt Morgan e seus estudantes descobriram muitos princípios básicos de genética ao analisar moscasdafruta mutantes As mutações também são úteis para examinar processos biológicos fundamentais Encontrar ou criar mutações que afetam diferentes componentes de um sistema biológico e estudar seus efeitos pode levar à compreensão do sistema Esse método chamado de dissecção genética é como compreender como um automóvel funciona ao quebrar diferentes partes de um carro e observar os efeitos por exemplo ao esmagar o radiador a máquina superaquece revelando que o radiador resfria a máquina O uso de mutações para comprometer o funcionamento pode da mesma maneira ser uma fonte de discernimento nos processos biológicos Por exemplo os geneticistas começaram a solucionar detalhes moleculares do desenvolvimento ao estudar as mutações como o tinman que interrompe vários estágios embrionários na Drosophila ver Capítulo 22 Os cientistas também usaram análise de mutações para revelar as diferentes partes do óperon lac discutido no Capítulo 16 e como eles atuam na regulação gênica Embora quebrar partes para determinar sua função possa parecer uma abordagem grosseira para compreender um sistema na verdade é uma ferramenta muito poderosa e tem sido usada em bioquímica biologia do desenvolvimento fisiologia e ciência comportamental No entanto esse método não é recomendado para aprender como seu carro funciona Conceitos As mutações são mudanças herdadas no DNA Elas são essenciais para o estudo da genética e são úteis em muitos outros campos biológicos Categorias de mutações Nos organismos multicelulares podemos diferenciar entre duas grandes categorias de mutações mutações somáticas e mutações germinativas As mutações somáticas surgem nos tecidos somáticos que não produzem gametas Figura 181 Quando uma célula somática com uma mutação se divide mitose a mutação é transmitida para suas célulasfilhas gerando uma população de células geneticamente idênticas um clone Quanto mais precocemente uma mutação somática ocorrer maior o clone de células que terão a mutação Figura 181 As duas classes básicas de mutações são mutações somáticas e mutações germinativas Em razão do grande número de células em um típico organismo eucariótico as mutações somáticas são numerosas Por exemplo existem cerca de 1014 células no corpo humano Uma mutação surge uma vez a cada um milhão de divisões celulares então centenas de milhões de mutações somáticas surgem em cada pessoa Muitas mutações somáticas não têm efeito claro no fenótipo do organismo porque a função da célula mutante é substituída pela das células normais ou a célula mutante morre e é substituída por células normais Entretanto as células com uma mutação somática que estimula a divisão celular podem aumentar o número e se disseminar esse tipo de mutação pode dar origem a células com uma vantagem seletiva e é a base para os cânceres ver Capítulo 23 Mutações germinativas surgem em células que dão origem aos gametas Uma mutação germinativa pode ser transmitida para futuras gerações produzindo organismos que carreiam a mutação em todas as suas células somáticas e da linhagem germinativa ver Figura 181 Quando falamos de mutações em organismos multicelulares em geral estamos falando de mutações germinativas Historicamente as mutações foram divididas entre as que afetam um único gene chamadas de mutações gênicas e as que afetam o número ou a estrutura dos cromossomos chamadas de mutações cromossômicas Essa distinção surgiu porque as mutações cromossômicas poderiam ser observadas diretamente ao microscópio enquanto as mutações gênicas só poderiam ser detectadas pela observação de seus efeitos fenotípicos Atualmente o sequenciamento de DNA torna possível a observação direta das mutações gênicas e as mutações cromossômicas são diferenciadas dessas arbitrariamente com base no tamanho da lesão do DNA Contudo é prático usar mutação cromossômica para descrever a alteração genética de grande escala que afeta a estrutura do cromossomo ou o número de cromossomos e usar mutação gênica para uma lesão de DNA relativamente pequena que afeta um único gene Este capítulo discute as mutações gênicas as mutações cromossômicas foram discutidas no Capítulo 8 Tipos de mutações gênicas Existem várias formas para classificar as mutações gênicas Alguns esquemas de classificação baseiamse na natureza do efeito fenotípico outros se baseiam no agente causador da mutação e outros ainda se voltam para a natureza molecular do defeito Aqui vamos classificar as mutações principalmente com base na sua natureza molecular mas também vamos encontrar alguns termos que relacionam as causas e os efeitos fenotípicos das mutações Substituições de base O tipo mais simples de mutação gênica é uma substituição de base a alteração de um único nucleotídio no DNA Figura 182 A Existem dois tipos de substituições de base Em uma transição uma purina é substituída por uma purina diferente ou uma pirimidina é substituída por uma pirimidina diferente Figura 183 Em uma transversão uma purina é substituída por uma pirimidina ou uma pirimidina é substituída por uma purina O número de possíveis transversões ver Figura 183 é duas vezes o número de possíveis transições mas as transições surgem com maior frequência porque transformar uma purina em uma purina diferente ou uma pirimidina em uma pirimidina diferente é mais fácil do que transformar uma purina em uma pirimidina ou viceversa Resolva o Problema 18 Inserções e deleções Outra classe de mutações gênicas inclui as inserções e deleções coletivamente chamadas indels a adição ou a remoção respectivamente de um ou mais pares de nucleotídios Figura 182 B e C Embora as substituições de base sejam consideradas o tipo mais comum de mutação a análise molecular revelou que as inserções e deleções são mais frequentes As inserções e deleções nas sequências codificadoras de proteínas podem levar a mutações no quadro de leitura frameshift mudanças de troca de quadro ver Capítulo 15 do gene As mutações no quadro de leitura em geral alteram todos os aminoácidos codificados pelos nucleotídios após a mutação e então elas têm efeitos drásticos no fenótipo Algumas mutações de troca de quadro também introduzem códons de parada prematuros interrompendo prematuramente a síntese de proteína e resultando em proteína encurtada truncada Nem todas as inserções e deleções levam a mutações de troca de quadro entretanto as inserções e deleções compostas por múltiplos de três nucleotídios deixam o quadro de leitura intacto embora a adição ou remoção de um ou mais aminoácidos ainda possa afetar o fenótipo Indels que não afetam o quadro de leitura são chamados de inserções no quadro de leitura e deleções no quadro de leitura a b c d Figura 182 Os três tipos básicos de mutações gênicas são substituições inserções e deleções de base Figura 183 Uma transição é a substituição de uma purina por uma purina ou de uma pirimidina por uma pirimidina uma transversão é a substituição de uma pirimidina por uma purina ou de uma purina por uma pirimidina Conceitos As mutações gênicas são compostas por mudanças em um único gene e podem ser substituições de base um único par de nucleotídios é alterado ou inserções ou deleções os nucleotídios são adicionados ou removidos Uma substituição de base pode ser uma transição substituição de bases semelhantes ou uma transversão substituição de bases diferentes As inserções e deleções levam a alteração no quadro de leitura de um gene Checagem dos conceitos 1 Qual das mudanças a seguir é uma substituição de base por transição Adenina é substituída por timina Citosina é substituída por adenina Guanina é substituída por adenina Três pares de nucleotídios são inseridos no DNA Repetições expandidas de nucleotídios As mutações nas quais o número de cópias de um conjunto de nucleotídios aumenta são chamadas de repetições expandidas de nucleotídios Esse tipo de mutação foi observado pela primeira vez em 1991 em um gene chamado FMR1 que provoca a síndrome do X frágil a causa hereditária mais comum de déficit intelectual O distúrbio tem esse nome porque em células especialmente tratadas de pessoas com a condição a ponta de cada braço longo do cromossomo X é ligada a uma parte aparentemente delgada do cromossomo O alelo FMR1 normal sem a mutação tem 60 ou menos cópias de CGG mas em pessoas com a síndrome do X frágil o alelo abriga centenas ou até milhares de cópias Já foram encontradas repetições expandidas de nucleotídios em quase 30 doenças humanas muitas das quais estão listadas no Quadro 181 A maioria dessas doenças é causada pela expansão de um conjunto de três nucleotídios chamado de trinucleotídio em sua maioria CNG onde N pode ser qualquer nucleotídio Entretanto algumas doenças são causadas por repetições de quatro cinco e até 12 nucleotídios O número de cópias de repetição de nucleotídios se correlaciona frequentemente com a gravidade ou a idade de início da doença O número de cópias da repetição também tem relação com a instabilidade das repetições de nucleotídios quando ocorrem mais repetições a probabilidade de expansão para mais repetições aumenta Essa associação entre o número de cópias de repetições de nucleotídios a gravidade da doença e a probabilidade de expansão leva a um fenômeno conhecido como antecipação ver Capítulo 5 no qual as doenças causadas por expansões repetidas de nucleotídios se tornam mais graves em cada geração Mais raramente o número de repetições de nucleotídios diminui em uma família Também já foram observadas repetições expandidas de nucleotídios em alguns micróbios e plantas Aumentos do número de repetições de nucleotídios podem provocar sinaissintomas da doença de várias maneiras Em várias das doenças p ex doença de Huntington o nucleotídio se expande na parte codificadora de um gene produzindo uma proteína tóxica que tem resíduos extras de glutamina o aminoácido codificado pelo CAG Em outras doenças a repetição está fora da região codificadora de um gene e afeta sua expressão Na síndrome do X frágil cópias adicionais da repetição de nucleotídio fazem com o que o DNA seja metilado o que desliga a transcrição de um gene essencial Existem algumas evidências sugerindo que a expansão das repetições de nucleotídios ocorre durante a replicação do DNA e parece estar relacionada com a formação de grampos hairpin e outras estruturas especiais de DNA que se formam no DNA de fita única composto por repetições de nucleotídios Tais estruturas interferem na replicação normal ao provocar o deslize da fita o mau alinhamento das sequências ou a interrupção da replicação Um modelo de como os grampos de repetições poderiam resultar em expansão da repetição é apresentado na Figura 184 Quadro 181 Exemplos de doenças genéticas humanas causadas por repetições expandidas de nucleotídios Número de cópias de repetição Doença Sequência repetida Faixa normal Faixa da doença Atrofia muscular espinal e bulbar CAG 11 a 33 40 a 62 Síndrome do X frágil CGG 6 a 54 50 a 1500 Síndrome de Jacobsen CGG 11 100 a 1000 Ataxia espinocerebelar vários tipos CAG 4 a 44 21 a 130 Ataxia cerebelar autossômica dominante CAG 7 a 19 37 a 220 Distrofia miotônica CTG 5 a 37 44 a 3000 Doença de Huntington CAG 9 a 37 37 a 121 Ataxia de Friedrich GAA 6 a 29 200 a 900 Atrofia dentatorubra pálidoluisiana CAG 7 a 25 49 a 75 Epilepsia mioclônica do tipo UnverrichtLundborg CCCCGCCCCGCG 2 a 3 12 a 13 Conceitos As repetições expandidas de nucleotídios são regiões do DNA compostas de cópias repetidas de conjuntos de nucleotídios Os números maiores de repetições de nucleotídios estão associados a várias doenças genéticas humanas Figura 184 Um modelo de como o número de cópias de uma repetição de nucleotídios pode aumentar na replicação Efeitos fenotípicos das mutações Outra forma usada para classificar as mutações são seus efeitos fenotípicos No nível geral podemos diferenciar uma mutação com base no seu fenótipo comparado com o fenótipo do tipo selvagem Uma mutação que altera o fenótipo do tipo selvagem é chamada de mutação direta enquanto uma mutação reversa uma reversão muda um genótipo mutante de volta para o tipo selvagem Os geneticistas usam outros termos para descrever os efeitos das mutações na estrutura da proteína Uma substituição de base que resulta em um diferente aminoácido na proteína é chamada de mutação missense Figura 185 A Uma mutação nonsense muda um códon com sentido que especifica um aminoácido em um códon sem sentido que termina a tradução como apresentado na Figura 185 B Se ocorrer uma mutação nonsense precoce na sequência de mRNA a proteína será truncada e em geral não funcional Por causa da redundância do código genético alguns códons diferentes especificam o mesmo aminoácido Uma mutação silenciosa muda um códon para um códon sinônimo que especifica o mesmo aminoácido Figura 185 C alterando a sequência de DNA sem mudar a sequência de aminoácidos da proteína Nem todas as mutações silenciosas entretanto são realmente silenciosas algumas têm efeitos fenotípicos Por exemplo mutações silenciosas podem ter efeitos fenotípicos quando diferentes tRNAs chamados de tRNA isoaceptores ver Capítulo 15 são usados para diferentes códons sinônimos Como alguns tRNAs isoaceptores são mais abundantes que outros qual códon sinônimo é usado pode afetar a taxa de síntese de proteína A taxa de síntese de proteína pode influenciar o fenótipo ao afetar a quantidade de proteína encontrada na célula e em alguns casos a dobra da proteína Outras mutações silenciosas podem alterar sequências próximas de junções éxoníntron que afetam a recomposição ver Capítulo 14 Ainda outras mutações silenciosas podem influenciar a ligação de miRNAs a sequências complementares no mRNA que determinam se o mRNA será traduzido ver Capítulo 14 Uma mutação neutra é uma mutação missense que altera a sequência de aminoácidos da proteína mas não muda sua função de forma significativa Mutações neutras ocorrem quando um aminoácido é substituído por outro que é quimicamente semelhante ou quando o aminoácido afetado tem pouca influência na função da proteína Por exemplo ocorrem mutações neutras em genes que codificam a hemoglobina embora essas mutações alterem a sequência de aminoácidos da hemoglobina elas não afetam sua capacidade de transportar o oxigênio As mutações de perda de função provocam perda completa ou parcial da função normal Uma mutação de perda de função modifica a estrutura da proteína de modo que ela não funciona mais corretamente ou a mutação pode ocorrer em regiões regulatórias que afetam a transcrição a tradução ou a recomposição da proteína Essas mutações são frequentemente recessivas um organismo diploide tem de ser homozigoto para uma mutação de perda de função antes que os efeitos da perda da proteína funcional possam ser exibidos As mutações que provocam a fibrose cística são do tipo com perda de função elas produzem uma forma não funcional da proteína reguladora de condutância transmembrana da fibrose cística que normalmente regula o movimento dos íons cloreto para dentro e para fora da célula ver Capítulo 5 DNA Sem mutacao A Mutacao missense B Mutacao nonsense C Mutacao silenciosa DNA mRNA OS a a Cédon Ceri tr ee OSC C8SCO 00 eecsee Proteina do tipo O novo cédon codifica um O novo codon é um cédon 7 NJ O novo cédon codifica o Y selvagem produzida aminoacido diferente ocorre de parada ocorre um mesmo aminoacido nao ocorre uma mudanca na sequéncia de término prematuro mudanca na sequéncia de aminoacidos da traducao aminoacidos Figura 185 As substituigoes de base podem provocar mutagées A missense B nonsense e C silenciosas Por outro lado uma mutac4o de ganho de fungéo faz com que a célula produza uma proteina ou produto de gene cuja funcao nado existe normalmente Esse caso pode ser um produto totalmente novo do gene ou um produzido em um tecido inadequado ou em um momento inadequado do desenvolvimento Por exemplo uma mutac4o em um gene que codifica um fator de crescimento pode fazer com que o receptor mutante estimule o crescimento de forma constante mesmo na auséncia do fator de crescimento As mutacgées de ganho de func4o sao dominantes na sua expressdo porque uma Unica copia da mutagaéo leva a um novo produto génico Ainda outros tipos de mutagdes sio mutagées condicionais expressas apenas em algumas circunstancias Por exemplo algumas mutacdes condicionais afetam o fendtipo apenas em temperaturas elevadas Outras séo mutacées letais que provocam a morte prematura Capitulo 5 Sa Ae Ge Mutagoes supressoras Uma mutacao supressora é uma mudanga genética que esconde ou suprime o efeito de outra mutacao Esse tipo de mutacao é diferente de uma mutag4o reversa na qual o sitio mutado volta para a sequéncia original do tipo selvagem Figura 186 Uma mutacdo supressora ocorre em um sitio diferente do sitio da mutagao original assim um individuo com muta4o supressora é um duplo mutante tendo a mutacao original e a mutagao supressora mas exibindo o fendtipo de um tipo selvagem nao mutante Os geneticistas diferenciam entre duas classes de mutag6es supressoras intragénicas e intergénicas Mutagoes supressoras intragénicas Uma mutacdo supressora intragénica ocorre no mesmo gene que tem a mutacao a ser suprimida e pode funcionar de varias maneiras O supressor pode mudar um segundo nucleotidio no mesmo cédon alterado pela mutagao original produzindo um cédon que especifica o mesmo aminoacido que o especificado pelo cddon original nao mutante Figura 187 Os supressores intragénicos também podem suprimir uma mutacéo no quadro de leitura Se a mutacao original for a delegdo de uma base entao a adig4o de uma unica base em um local do gene restaura o quadro de leitura original Considere a sequéncia de nucleotidios a seguir na fita molde de DNA e os aminoacidos que ela codifica DNA 3AAA TCA CTT GGC GTA CAA5 mRNA 5UUU AGU GAA CCG CAU GUU3 Aminoacidos Phe Ser Glu Pro His Val